【郑益慧】2. PN结与二极管的特性

PN结与二极管的特性

PN结的伏安特性

正向特性：

有个死区 ：导通电压0.7v

反向特性：

当PN结外加反向电压的时候，会有一个反向饱和电流Is，这个反向电流，锗管要比硅管大。当反向电压越来越大，电流也会急剧增大。这个现象就是反向击穿。

反向击穿：

雪崩击穿（掺杂浓度低的情况下）：

当PN结中掺杂离子浓度低的时候，（PN结的长度足够宽），此时又将外加电场不断加强，只要有自由电子进入到这个PN结中的电场中，就相当于一个粒子加速器，自由电子达到一定的速度之后，猛烈的撞击到一个共价键上，价电子成为一个自由电子，一个变成了两个，2个变4个，依次往后继续猛烈的撞击，瞬间就可以把PN结击毁。

齐纳击穿（掺杂浓度高的情况下）

（PN结比较窄），加一点点电压，场强就变得特别大，收到电场力得作用，共价键自己直接被拽出来，变成大量自由电子，瞬间PN结被击毁。

二次击穿（不可逆）

由于在雪崩击穿和齐纳击穿得过程中会产生大量得热，使得温度升高，在温度达到一定程度，PN结就会被烧毁，因为所有得共价键都被破坏，那么更多得热能被释放，形成正反馈，最终PN结不可逆。

如果温度没有达到，是不会被击穿，PN结还会回到正常状态。因此只要控制好温度，就可以使二极管处于反向击穿状态。

反向击穿——稳压管特性

从PN结的伏安特性曲线中可以看到，当电压反向增大到一定程度之后，电流有一个瞬间的持续增大的变化，则可以利用这一点，电流不断增大的时候电压变化极小，可以忽略，那么就可以形成稳压管的原理，又因为掺杂浓度低的时候是雪崩击穿，需要电压很高，掺杂浓度高的时候，需要电压低，那么可以通过不同的掺杂和制工艺制造出不同规格的反向击穿特性的稳压二极管

温度雪崩、齐纳击穿的影响

从上面得图就可以得出，

• 温度越高，雪崩击穿需要的外加电压越大：因为温度升高之后，PN结中的晶格结构会产生晃动，导致粒子加速不稳定，那么需要利用外加电压的作用下，使得粒子加速更稳定。
• 温度越高，齐纳击穿需要的外加电压越小：因为温度升高之后，共价键中的价电子自己迸射出来的机会更大，那么需要内电场就越小，那么需要外加电压就越小。

电容特性：电压变化，电荷量变化。

电容反映的电量和电压之间的关系。

在相同电压变化范围内，电容量不同，代表着电荷的储存变化量不一样。

电容在某一时刻 t 的储能仅取决于此时刻的电压， 而与电流无关，

PN结的电容特性

1. 势垒电容—不是线性电容 q/u=常数 ——加反向电压

可以做成可变电容。 因为电荷量Q一直在变。

根据上面对电容的描述，如果一个器件，电压变化，里面储存的电荷量变化，就表现出一种电容特性。

PN结两端给反向电压，反向电压大的时候，PN结会变宽（使得耗尽层的束缚作用更强），反向电压小的时候，PN结会减小。因此，随着电压的增大或减小，PN结会变宽或变窄，也就是电荷量也随之减小或增加。这个变化发生在势垒里，因此叫势垒电容。

因此PN结具有电容的特性。

总结：反向电压越大，电容越大（y轴右边），处于正向电压，有一点势垒电容，完全导通时，势垒电容越来越小。

2. 扩散电容 —— 加正向电压

当加正向电压，电压越大，N区跑到P区的自由电子（多子）越多，而在跑到P区的N区的自由电子大多和P区的空穴结合，因此剩下这些自由电子又被称为非平衡少子。

当PN结被导通，N区的多子跑到P区变成非平衡少子。

非平衡少子的浓度和电压相关。正向电压越大，非平衡少子越多。

换句话说，电压越大，这里聚集的自由电子越多，空穴越多，电荷量的大小也随之增大。

因此在扩散效应下，也能等效为一个电容。这个电容就叫做扩散电容。

从图中可以看出，电压增大，p区少子浓度由1到2，电压减小，p区少子浓度由1到3

坐标的y轴，代表耗尽层。

电压增大，P区少子（自由电子）浓度增加，则电荷量也增加

电压减少，P区少子（自由电子）浓度减少，则电荷量也减少

产生扩散电容。

总结

势垒（耗尽层）电容时带电中心形成的（PN结）——加反向电压

扩散电容时非平衡少子形成的。 ——加正向电压

半导体二极管

由PN结产生了我们第一个半导体二极管。

也就是把PN结封装起来。

外形：第四种就是通过外面的拧紧。

引出来两个极，一个从P出，一个从N出

箭头的方向时电流方向，单向导通，返回来是墙，过不去。

二极管的常见结构（点接触型，面接触型）

正因为扩散工艺才可以集成。

PN结：反向电压，扩散增强，产生热能，使自由电子变多，电流增大。

正向电压，扩散减小，自由电子变少，电流也会变小。

二极管的伏安特性 ——几乎和PN结完全一样

PN结 ——空间电荷区

二极管：在P区 ，N区，有体电阻（阻值很小）

二极管：二极管有封装外壳，加反向电压时，不仅PN结上有反向漂移运动，壳上也会产生表面泄露电流。

1. 由于体电阻存在，在相同电压下，二极管电流比pn结小。
2. 二极管反向电流大一些

温度对二极管伏安特性的影响

为什么当温度升高，正向特性向左移，反向特性向下移？

原因：温度升高，粒子热运动加剧，本征激发产生的自由电子（载流子）更多。

相同电压下，温度高，电流越大

反向特性受到温度的影响很小。上一节有讲过。

室温下，每升高1℃，正向电压减少2到2.5mv

每升高10℃，反向电流增大一倍

Uon ：开通电压阈值

二极管作用

• 正向特性：二极管的单向导电性 （第一次可以规定电流路径，反过来就导不通了）

可以将交流整流为直流

有图中红框可知，正向导通的时候，可以理解为电压是不变的。（稳压和钳制电位）

• 反向特性：可以做很便宜的温度传感器

反向击穿：稳压二极管

正向稳压接近0.7V

反向电压，PN结调节不同，反向电压可以变化。