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电子技术之PN结

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子曰:学而时*之,不亦乐乎。
以下内容可能理解有误,请达者不吝赐教,感激莫名。


1.PN结的形成


多子扩散形成空间电荷区(电场E0),空间电荷区导致少子漂移并阻止多子扩散,两种运动的*衡形成PN结(耗尽层,势垒区)。


2.正向导通与反向截止


1.〈正向导通〉
加正向电压(P+,N-),原空间电荷区电场被外电场(Ev)削弱,因此内电场的实际值为两场代数和:E=E0+Ev。
主观感性的理解为,电源负极吸引P区空穴,正极吸引N区自由电子,导致两种载流子向耗尽层靠*,而使耗尽层变窄。
当外电压逐渐增大,耗尽层越来越窄,这时多子就能穿越耗尽层到达对方区域,形成电流,PN结开始导通。
导通后外电压持续增大,通过耗尽层的载流子会越来越多,载流子运动越来越剧烈,表现为电流增大,PN结温上升,如果不加限制,当结温超过最大承受值时将导致PN结热击穿。


2.〈反向截止〉
加反向电压时,原内电场被外电场增幅,多子扩散进一步被抑制,而少子漂移增强。所以,外加反向电压时几乎只有少子漂移形成微弱的反向电流,这种电流也几乎可以忽略不计,所以认为PN结截止。
当外加电压增大,反向电流也会稍微增加,由于一定温度时,少子数目有限,因此反向电流增加到一定程度便不会再增加,此时的电流称为反向饱和电流。
主观感性地认为,外电场吸引各自区域多子向各自电极靠*,从而使耗尽层附*的多子浓度大幅减少,导致耗尽层扩大。


3.〈结电容〉
无论是正向导通还是反向截止,当外加电场变化时耗尽层的空间长度、内电场大小与PN结内载流子浓度都会发生变化,其结构与特性符合电容的定义,因此称之为结电容。
结电容中,因势垒区(空间电荷区)的空间变化引起的电容效应,叫做势垒电容;而正向电压变化时,引起PN结参与扩散运动的多子浓度变化导致的电容效应,称为扩散电容。
结电容是这两种电容效应的总和。


4.〈齐纳击穿与雪崩击穿〉
外加反向电压增加时,会使PN结势垒区扩大,内电场也随之增加。
对于掺杂浓度较高的PN结来说,当反向电压达到一定值时,空间电荷区的共价电子获得的电势能足以让它脱离共价键的束缚成为自己电子(电离)。此时PN结载流子浓度急剧增加,结电流迅速增大,此时认为PN结被“齐纳击穿”。
齐纳击穿是并不会对PN结造成损毁,击穿后撤去外加电压,PN结可自愈。
齐纳击穿时,如果没有外加限流电阻,PN结瞬间就会被热击穿。外加限流电阻时,PN结的端电压就不会变化,这是稳压管的原理。
对于掺杂浓度低的PN结,晶体结构比较稳定,共价键电子难以脱离束缚。因此空间电荷区的电场会随着外电压的持续增加而持续累加,当达到某个值时,在空间电荷区(势垒区,耗尽层)运动的电子会获得极高动能,当这些电子撞击原子时,会使其共价电子电离。而这些电离电子又会撞击另外的原子,这样的链式反应会使PN结的载流子浓度急剧上升,对PN结造成不可逆的损毁,此时认为PN结被“雪崩击穿”。
雪崩击穿与齐纳击穿的区别在于,齐纳击穿是因电场而电离,雪崩击穿是因电子高能碰撞而电离。
低掺杂PN结不会发生齐纳击穿;能够被齐纳击穿的PN结,不会发生雪崩击穿,原因是其内电场不足以使载流子获得足够动能,但是如果齐纳击穿的PN结电流大于一定值时,会因电流的热效应使结温超限而导致热击穿。
说到这我们也许会迷惑,热击穿与雪崩击穿又有什么不同呢?雪崩击穿的原理如上所述不再赘述,而电流的热效应,是因载流子之间或载流子与导体原子之间的碰撞导致的导体温度上升,而电子的*均动能一般并不能使导体原子电离。


以上若有不科学的地方,恳请留言赐教,以解在下之惑,感激不尽。



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