PN结

1.2.1异形半导体接触现象

在形成的P—N结中，由于两侧的电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运动：电子从N区向P区扩散;空穴从P去向N区扩散。因为它们都是带电粒子，它们向另一侧扩散的同时在N区留下了带正电的空穴，在P区留下了带负电的杂质离子，这样就形成了空间电荷区，也就是形成了电场(自建场).

它们的形成过程如图(1)，(2)所示

在电场的作用下，载流子将作漂移运动，它的运动方向与扩散运动的方向相反，阻止扩散运动。电场的强弱与扩散的程度有关，扩散的越多，电场越强，同时对扩散运动的阻力也越大，当扩散运动与漂移运动相等时，通过界面的载流子为0。此时，PN结的交界区就形成一个缺少载流子的高阻区，我们又把它称为阻挡层或耗尽层。

1.2.2 PN结的单向导电性

1. PN结外加正向电压

PN结外加正向电压的接法是P区接电源的正极，N区接电源的负极。这时外加电压形成电场的方向与自建场的方向相反，从而使阻挡层变窄，扩散作用大于漂移作用，多数载流子向对方区域扩散形成正向电流，方向是从P区指向N区。如图(1)所示

这时的PN结处于导通状态，它所呈现的电阻为正向电阻，正向电压越大，电流也越大。它的关系是指数关系：

其中：ID为流过PN结的电流，U为PN结两端的电压，

UT=kT/q称为温度电压当量，其中，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电量，在室温下(300K)时UT=26mv，IS为反向饱和电流。

2. PN结外加反向电压

它的接法与正向相反，即P区接电源的负极，N区接电源的正极。此时的外加电压形成电场的方向与自建场的方向相同，从而使阻挡层变宽，漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场的作用下，形成漂移电流，它的方向与正向电压的方向相反，所以又称为反向电流。因反向电流是少数载流子形成，故反向电流很小，即使反向电压再增加，少数载流子也不会增加，反向电压也不会增加，因此它又被称为反向饱和电流。即：ID=-IS

此时，PN结处于截止状态，呈现的电阻为反向电阻，而且阻值很高。

由以上我们可以看出：PN结在正向电压作用下，处于导通状态，在反向电压的作用下，处于截止状态，因此PN结具有单向导电性。它的电流和电压的关系通式为： 它被称为伏安特性方程，如图(3)所示为伏安特性曲线。

3. PN结的击穿

PN结处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。

击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。

对于硅材料的PN结来说，击穿电压〉7v时为雪崩击穿，<4v时为齐纳击穿。在4v与7v之间，两种击穿都有。由于击穿破坏了PN结的单向导电性，因此一般使用时要避免。

需要指出的是，发生击穿并不意味着PN结烧坏。

4. PN结的电容效应

由于电压的变化将引起电荷的变化，从而出现电容效应，PN结内部有电荷的变化，因此它具有电容效应，它的电容效应有两种：势垒电容和扩散电容。

势垒电容是由阻挡层内的空间电荷引起的。

扩散电容是PN结在正向电压的作用下，多数载流子在扩散过程中引起电荷的积累而产生的。

PN结正偏时，扩散电容起主要作用，PN结反偏时，势垒电容起主要作用。

5. 半导体二极管

(1)二极管的结构和分类

半导体二极管是由PN结加上引线和管壳构成的。它的类型很多。

按制造材料分：硅二极管和锗二极管。

按管子的结构来分有：点接触型二极管和面接触型二极管。

二极管的逻辑逻辑符号为： (2)二极管的特性

正向特性

当正向电压低于某一数值时，正向电流很小，只有当正向电压高于某一值时，二极管才有明显的正向电流，这个电压被称为导通电压，我们又称它为门限电压或死区电压，一般用UON表示，在室温下，硅管的UON约为0.6----0.8V，锗管的UON约为0.1--0.3v，我们一般认为当正向电压大于UON时，二极管才导通。否则截止。

反向特性

二极管的反向电压一定时，反向电流很小，而且变化不大(反向饱和电流)，但反向电压大于某一数值时，反向电流急剧变大，产生击穿。

温度特性

二极管对温度很敏感，在室温附近，温度每升高1度，正向压将减小2--2.5mV，温度每升高10度，反向电流约增加一倍。

(3)二极管的主要参数

我们描述器件特性的物理量，称为器件的特性。二极管的特性有：

最大整流电流IF 它是二极管允许通过的最大正向平均电流。

最大整流电流IF 它是二极管允许通过的最大正向平均电流

最大反向工作电压UR 它是二极管允许的最大工作电压，我们一般取击穿电压的一般作UR

反向电流IR 二极管未击穿时的电流，它越小，二极管的单向导电性越好。

最高工作频率fM 它的值取决于PN结结电容的大小，电容越大，频率约高。

二极管的直流电阻RD 加在管子两端的直流电压与直流电流之比，我们就称为直流电阻，它可表示为：RD=UF/IF 它是非线性的，正反向阻值相差越大，二极管的性能越好。

二极管的交流电阻rd 在二极管工作点附近电压的微变化与相应的微变化电流值之比，就称为该点的交流电阻。

(4)稳压二极管

稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其特性和普通二极管类似，但它的反向击穿是可逆的，不会发生&ldquo;热击穿&rdquo;，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即反向电压基本不随反向电流变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性。稳压二极管的主要参数为稳压值UZ和最大稳定电流IZM，稳压值UZ一般取反向击穿电压。稳压二极管使用时一般需串联限流电阻，以确保工作电流不超过最大稳定电流IZM 。

(5)二极管的应用

二极管的运用，主要是利用它的单向导电性。它导通时，我们可用短线来代替它，它截止时，我们可认为它断路。因此，在应用电路中，关键是判断二极管的导通或截止。

a. 限幅电路

当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压也随着输入电压相应的变化;当输入电压高于某一个数值时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。我们把开始不变的电压称为限幅电平。它分为上限幅和下限幅。

限幅电路如图(1)所示。改变E值就可以改变限幅电平。如输入电压波形图如图(2)。

当E=0时限幅电平为0v。ui>0时二极管导通，uo=0，ui<0时，二极管截止，uo=ui，它的波形图为：如图(3)所示

当0+E时,二极管导通,uo=E,它的波形图为:如图(4)所示

b. 二极管门电路

二极管组成的门电路，可实现逻辑运算。如图(6)所示的电路，只要有一条电路输入为低电平时，输出即为低电平，仅当全部输入为高电平时，输出才为高电平。实现逻辑"与"运算.

c.其他二极管

发光二极管

发光二极管简称LED，它是一种将电能转换为光能的半导体器件，主要是由M-V族化合物半导体如砷化镓(GaAs),磷化镓(GaP)制成。

光电二极管

光电二极管是将光能转换成电能的半导体器件。

光电耦合器件

光电耦合器件是由光电二极管和发光二极管组合起来的。

变容二极管

变容二极管是利用PN结的势垒电容随外加反向电压的变化特性制成的。