一文詳解開路PN二極管

什么是開路PN二極管？

圖1（a）顯示了受體雜質(zhì)密度為N的開路pn二極管一個(gè)在p區(qū)和供體雜質(zhì)密度N中D在 n 區(qū)域中。我們假設(shè)每個(gè)受體原子都電離，產(chǎn)生一個(gè)不動(dòng)的帶負(fù)電荷的受體離子和一個(gè)移動(dòng)的空穴。類似地，每個(gè)供體原子都電離，產(chǎn)生一個(gè)不動(dòng)的帶正電的供體離子和一個(gè)移動(dòng)電子。在圖1（a）中，不動(dòng)的受體離子用圓圈內(nèi)的減號(hào)表示，而不動(dòng)的供體離子用圓圈內(nèi)的加號(hào)表示。我們假設(shè)一開始在p區(qū)（在結(jié)的左側(cè)）中只有空穴，在n區(qū)（在結(jié)的右手邊）只有電子。

空間電荷區(qū)域或耗盡區(qū)域 |開路PN二極管

一開始，從左到右存在穿過結(jié)點(diǎn)的空穴密度梯度和從右到左的自由電子密度梯度。因此，空穴從p區(qū)擴(kuò)散到n區(qū)，而自由電子從n區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)。進(jìn)入 n 區(qū)時(shí)的空穴與結(jié)附近的電子結(jié)合。因此，這些最初覆蓋或中和結(jié)附近正供體離子的電子通過與入射空穴的結(jié)合而丟失。這個(gè)過程使正離子未歸化或未被覆蓋。類似地，負(fù)電子在通過結(jié)擴(kuò)散到p區(qū)時(shí)與結(jié)附近的空穴結(jié)合。因此，這些最初中和或覆蓋負(fù)離子的空穴因復(fù)合而丟失。這個(gè)過程使負(fù)離子未歸化或未被發(fā)現(xiàn)。圖1（b）給出了電荷密度與距離的關(guān)系圖的典型形狀。該曲線的確切形狀取決于二極管結(jié)，無論是均勻級(jí)配還是階梯級(jí)級(jí)或階梯級(jí)或任何其他類型。

結(jié)區(qū)域的移動(dòng)電荷載流子已經(jīng)耗盡。因此，該區(qū)域被稱為枯竭區(qū)域。它也被稱為空間電荷區(qū)或過渡區(qū)。耗盡區(qū)非常薄，通常為 0.5 微米 （0.5×10^-6^m） 厚。在耗盡區(qū)的左側(cè)，移動(dòng)載流子密度為 ，而在右側(cè)，載流子密度為 。

電場(chǎng)強(qiáng)度 |開路PN二極管

從圖1（b）中我們發(fā)現(xiàn)，結(jié)處的空間電荷密度為零，右邊為正，左邊為負(fù)。這樣的電荷分布形成電線桿，并產(chǎn)生從右到左的通量線。相應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度為負(fù)，并隨過渡區(qū)域的距離而變化，如圖1（c）所示。這種電場(chǎng)傾向于從右向左發(fā)送漂移電流，與擴(kuò)散電流相反。因此，隨著載流子在結(jié)上的擴(kuò)散，移動(dòng)載流子的耗盡，電場(chǎng)逐漸積累，直到達(dá)到平衡，當(dāng)電場(chǎng)完全不允許電荷載流子的擴(kuò)散過程時(shí)。在穩(wěn)態(tài)下，空穴（電子）擴(kuò)散電流產(chǎn)生凈零空穴（電子）電流，這是開路器件的基本條件。

泊松方程狀態(tài)， （1）

電介電常數(shù)在哪里？

然后電場(chǎng)由下式給出，

.......(2)

其中 X = X 0 ，其中 X0表示耗盡區(qū)域的左邊緣。

電位 V |開路PN二極管

靜電勢(shì) V 由下式給出，

(3)

因此，靜電勢(shì)V是圖1（c）中電場(chǎng)積分的負(fù)數(shù)。圖1（d）繪制了耗盡區(qū)靜電勢(shì)V與距離x的關(guān)系圖，以p區(qū)的電位為參考電位或零電位。然后，n 區(qū)的電位高出 V0如圖1（d）所示。電位差 V0橫跨結(jié)點(diǎn)的只是接觸電位 V0正如給出的

.......(4)

V 的值0Ge 為 0.2 至 0.4 伏，Si 為 0.5 至 0.9 伏。這 V0遠(yuǎn)大于 T=300 K 時(shí)電荷載流子的平均熱能 0.02eV。

勢(shì)能勢(shì)壘 |開路PN二極管

勢(shì)能 E 等于勢(shì) V 和載流子電荷的乘積。因此，圖1（e）繪制了勢(shì)能勢(shì)壘，以防止空穴從p區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)散到n區(qū)，在p區(qū)中E = 0。以焦耳為單位的勢(shì)壘高度等于 E 0 = qV（質(zhì)量源）0以伏特為單位。類似地，防止電子從 n 區(qū)流向 p 區(qū)的勢(shì)能勢(shì)壘等于 -qV0并繪制在圖1（f）中，在p區(qū)域中取E = 0。

示例 1：

• Ge pn 二極管的 p 區(qū)和 n 區(qū)電阻率分別為 5 歐姆厘米和 3 歐姆厘米。計(jì)算勢(shì)能勢(shì)壘的高度。
• 如果 p 和 n 個(gè)區(qū)域的摻雜密度各增加一倍，則重復(fù)部分“a”。鑒于：Q 1.6 X 10^-19^哥倫布; 厘米 ^2^ /V-s，厘米 ^2^ /V-s，300 K 時(shí)溫度的當(dāng)量為 0.026 伏，n 我 = 2.5×10 ^13^ /厘米 ^3^ .

溶液：

對(duì)于（a）

因此

因此

對(duì)于（b）

因此