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  • PN結單向導電原理解析與PN結為什么可以單向導電
    • 發布時間:2020-08-31 16:13:01
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    PN結單向導電原理解析與PN結為什么可以單向導電
    PN結是什么?
    PN結采用不同的摻雜工藝,通過擴散作用,將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體(通常是硅或鍺)基片上,在它們的交界面就形成空間電荷區稱為PN結(英語:PN junction)。PN結具有單向導電性,是電子技術中許多器件所利用的特性,例如半導體二極管、雙極性晶體管的物質基礎。
    PN結,二極管
    二極管為什么只能單向導電?
    在二極管的正向端(正極)加正電壓,負向端(負極)加負電壓,二極管導通,有電流流過二極管。在二極管的正向端(正極)加負電壓,負向端(負極)加正電壓,二極管截止,沒有電流流過二極管。這就是所說的二極管的單向導通特性。下面解釋為什么二極管會單向導通。
    二極管是由PN結組成的,即P型半導體和N型半導體,因此PN結的特性導致了二極管的單向導電特性。PN結如下圖所示:
    PN結,二極管
    在P型和N型半導體的交界面附近,由于N區的自由電子濃度大,于是帶負電荷的自由電子會由N區向電子濃度低的P區擴散,擴散的結果使PN結中靠P區一側帶負電,靠N區一側帶正電,形成由N區指向P區的電場。diangon.com即PN結內電場。內電場將阻礙多數載流子的繼續擴散,又稱為阻檔層。
    PN結為什么可以單向導電?
    二極管的單向導電特性用途很廣,到底是什么原因讓電子如此聽話呢?它的微觀機理是什么呢?這里簡單形象介紹一下:
    假設有一塊P型半導體(用黃色代表空穴多)和一塊N型半導體(用綠色代表電子多),它們自然狀態下分別都是電中性的,即不帶電。如圖1所示。
    PN結,二極管
    把它們結合在一起,就形成PN結。邊界處N型半導體的電子自然就會跑去P型區填補空穴,留下失去電子而顯正電的原子。相應P型區邊界的原子由于得到電子而顯負電,于是就在邊界形成一個空間電荷區。為什么叫“空間電荷區”?是因為這些電荷是微觀空間內無法移動的原子構成的。
    空間電荷區形成一個內建電場,電場方向由N到P,這個電場阻止了后面的電子繼續過來填補空穴,因為這時P型區的負空間電荷是排斥電子的。電子和空穴的結合會越來越慢,最后達到平衡,相當于載流子耗盡了,所以空間電荷區也叫耗盡層。這時PN結整體還呈電中性,因為空間電荷有正有負互相抵消。如圖2所示。
    PN結,二極管
    外加正向電壓,電場方向由正到負,與內建電場相反,削弱了內建電場,所以二極管容易導通。綠色箭頭表示電子流動方向,與電流定義的方向相反。如圖3所示。
    PN結,二極管
    外加反向電壓,電場方向與內建電場相同,增強了內建電場,所以二極管不容易導通。如圖4所示。當然,不導通也不是絕對的,一般會有很小的漏電流。隨著反向電壓如果繼續增大,可能造成二極管擊穿而急劇漏電。
    PN結,二極管
    圖5是二極管的電流電壓曲線供參考。
    PN結,二極管
    圖6形象的展示了不同方向二極管為什么能導通和不能導通,方便理解。
    PN結,二極管
    生活中單向導通的例子也不少,比如地鐵進站口的單向閘機,也相當于二極管的效果:正向導通,反向不導通,如果硬要反向通過,可能就會因為太大力“反向擊穿”破壞閘機了。
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