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二极管PN结及其单向导电作业原理

本站为您提供的二极管PN结及其单向导电工作原理, 在二极管正极加正电压,负极加负电压。称二极管外加正向电压,这时二极管有电流流过处于导通状态。在二极管正极加负电压,负极加正电压,称二极管外加反向电压,这时二极管无电流流过处于截止状态。这种特性就是二极管的单向导电性。

  在二极管正极加正电压,负极加负电压。称二极管外加正向电压,这时二极管有电流流过处于导通状况。在二极管正极加负电压,负极加正电压,称二极管外加反向电压,这时二极管无电流流过处于截止状况。这种特性便是二极管的单向导电性。

  二极管为什么只能单向导电?

  二极管的中心是PN结。因而二极管的单向导电性是由PN结的特性说决议的。在P型和N型半导体的接壤面附近,因为N区的自在电子浓度大,所以带负电荷的自在电子会由N区向电子浓度低的P区分散,分散的成果使PN结中靠P区一侧带负电,靠N区一侧带正电,构成由N区指向P区的电场。即PN结内电场。内电场将阻止大都载流子的持续分散,又称为阻档层。

  (1)PN结加上正向电压的状况 将PN结的P区接电源正极,N区接电源负极,此刻外加电压对PN结发生的电场与PN结内电场方向相反,消弱了PN结内电场,使得大都载流子能顺畅经过PN结构成正向电流,并跟着外加电压的升高而敏捷增大,即PN结加正向电压时处于导通状况。

  (2)PN结 加上反向电压的状况 将PN结的P区接电源负极,N区接电源正极,此刻外加电压对PN结发生的电场与PN结内电场方向相同,加强了PN结内电场,大都载流子在电场力的效果下难以经过PN结反向电流十分细小,即PN结加反向电压时处于截止状况。

  半导体的导电特性

  半导体以其导电功能介乎于导体和绝缘体之间而得名。如硅、锗、硒以及大大都金属氧化物和硫化物都是半导体。

  金属导体依托自在电子导电。绝缘体原子最外层的电子被原子核捆绑得很紧,所以绝缘体中自在电子很少,不易导电。而半导体原子最外层的电子处于半自在状况。以常用的半导体资料硅原子结构为例,它有四个价电子,彻底纯洁的硅晶体结构中,每一个原子与相邻的四个原子结合,每一个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对,构成共价键结构,如右图所示。半导体一般都具有晶体结构,故半导体又称为单晶体。

二极管PN结及其单向导电作业原理

  共价键中的价电子不像绝缘体原子外层的电子被捆绑得那么紧,在遭到热的效果或遭到光照耀时,热能和光能转化为电子的动能,原子最外层的价电子便很简单挣脱原子核的捆绑,构成自在电子,此刻在原子共价键结构中,相应出现了一个电子空位,称为空穴,因为电子带负电荷而原子又是中性的,因而空穴可以为是带正电荷。具有空穴的原子又可招引附近原子中的价电子来添补其空穴,然后构成电子运动。这时空穴也从某一个原子内移动到了另一个原子内,构成空穴运动。这样在必定条件下,半导体中出现了两种带电运动,一种是带负电荷的自在电子运动;另一种便是带正电荷的空穴运动。在外电场的效果下,电子向电源正极定向运动,空穴向电源负极定向运动,所以电路中便构成电流。

  半导体导电的特色,便是一起存在电子导电和空穴导电,所以自在电子和空穴都称为载流子。纯洁半导体中载流子总是成对出现,并不断复合,在必定条件下到达动态平衡,使半导体中载流子的数量保持安稳。当条件改动后,如温度升高或光照加强,载流子数量又会增多,使半导体的导电功能增强,故温度对半导体导电功能影响很大。

  纯洁半导体一般导电才能是较差的,而在其间参加某种杂质后,导电才能即可大大增强,其原因相同与其共价键结构有关。

  N型和P型半导体

  在纯洁的半导体中,掺入极微量有用的杂质,杂质不同,其添加的导电载流子的类型也不同,可分为两大类,如在硅单晶体中掺入五价元素磷,磷原子外层有五个价电子,其间四个价电子与硅原子中的四个价电子构成共价键后,多出的一个电子便很简单挣脱原子核的捆绑而成为自在电子,这样掺磷后的半导体中自在电子的数量大大添加,因而加强了原纯洁半导体的导电才能。掺入五价元素的半导体,自在电子是导电的首要载流子,称大都载流子,而原半导体中的空穴则称少量载流子,这种半导体因为电子带负电,故称电子型半导体或N型半导体,如下图a所示。

二极管PN结及其单向导电作业原理

  若在硅单晶体中掺入三价元素硼,硼原子外层只要三个价电子,与硅原子中的价电子构成共价键时,将出现一个空穴,与N型半导体比较,这类半导体首要是空穴导电,即空穴是大都载流子,自在电子是少量载流子,因为空穴被以为带正电,故称空穴型半导体或P型半导体,如上图b所示。

  在N型半导体中,摻入五价元素越多,自在电子数量越多,导电功能越好。同理在P型半导体中,掺入三价元素越多,空穴数量越多,导电功能也越好。在制作时,可用掺杂的多少来操控大都载流子的浓度。而在运用中因出现温度的升高或光照的增多,P型或N型半导体中少量载流子的浓度也会出现急剧添加的现象。

  N型半导体和P型半导体,尽管都有一种大都载流子,但整个半导体仍是电中性的。

  PN结的构成

  将下图a的P型半导体和N型半导体选用必定的工艺办法严密地结合在一起,因为N区电子浓度远大于P区,P区的空穴浓度远大于N区,因而N区的电子要穿过接壤面向P区分散,P区的空穴也要穿过接壤面向N区分散。分散的成果,在接壤面构成一个薄层区,在这薄层区内,N区的电子已跑到P区,N区留下了带正电的原子,构成N区带正电;P区的空穴已被电子填充,P区留下了带负电的原子,构成P区带负电。这薄层称为空间电荷区,如下图b所示。

二极管PN结及其单向导电作业原理

  这薄层的两头相似已充电的电容器,构成由N→P的内电场。空间电荷区内根本上已没有载流子,故又称为耗尽层,或称PN结,它具有很高的电阻率。明显这个内电场构成后将阻止大都载流子的分散运动;一起,内电场又使P区少量载流子——电子向N运动;使N区少量载流子—— 空穴向P区运动。这种少量载流子在内电场效果下的运动称为漂移运动。

  分散运动和漂移运动是一起存在的一对对立,开端构成空间电荷区时,大都载流子的分散是对立的主导,跟着分散运动的进行,空间电荷区即PN结不断增宽,内电场增强,此刻分散运动削弱,而漂移运动越来越强,在必定温度时,终究分散、漂移运动到达动平衡,PN结处于相对安稳状况,PN结之间再没有定向电流。

  PN结的单向导电原理

  外加正向电压:PN结导通(导电):如下图a所示,将电源E串联电阻R后正极接于P区,负极接于N区,这时称PN结外加正向电压。在正向电压效果下,PN结中的外电场和内电场方向相反,分散运动和漂移运动的平衡被损坏,内电场被削弱,使空间电荷区变窄,大都载流子的分散运动大大地超过了少量载流子的漂移运动,大都载流子很简单跳过PN结,构成较大的正向电流,PN结出现的电阻很小,因而处于导通状况。串联电阻是为了避免电流过大而或许焚毁PN结。

二极管PN结及其单向导电作业原理

  外加反向电压,PN结截止(不导电):上图b中,将电源E的正极接于N区,负极接于P区,PN结外加反向电压,或称PN结反向接法。此刻外电场和内电场方向共同,内电场增强,使空间电荷区加宽,对大都载流子分散运动的阻止效果加强,大都载流子几乎不运动,可是,增强了的内电场有利于少量载流子的漂移运动,因为少量载流子的数量很少,只构成细小的反向电流,PN结出现的反向电阻很大,因而处于截止状况。反向电流对温度十分灵敏,温度每升高8~10℃,少量载流子构成的反向电流将增大1倍。

  PN结正向衔接时,PN结导通,正向电阻很小。PN结反向衔接时,PN结截止,反向电阻极大。PN结特有的这种单向导电特性,正是各种半导体器材的根本作业原理。

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