二極管的偏壓
發(fā)布時(shí)間:2011/12/13 10:24:41 訪問(wèn)次數(shù):8080
目前你已經(jīng)知道,在平衡狀態(tài)時(shí),沒(méi)有電子能夠越過(guò)PN結(jié)。一般來(lái)說(shuō),偏壓這個(gè)名詞指的就是利用直流電壓建立電子元件工作所需的某些條件。與二極管有關(guān)的兩種偏壓就是:正向偏壓和反向偏壓。任何一種偏壓,都必須在PN結(jié)的兩邊接上足夠的直流電壓和適當(dāng)?shù)臉O性。
在學(xué)習(xí)完本節(jié)的內(nèi)容后,你應(yīng)該能夠:參與討論二極管的偏壓特性;定義正向偏壓并且說(shuō)明所需條件;定義反向偏壓并且說(shuō)明所需條件;參與討論門檻電壓對(duì)正向偏壓的影響;解釋在正向偏壓時(shí),電流如何產(chǎn)生;解釋什么是反向電流;說(shuō)明二極管反向擊穿的原因;以能階圖解釋正向偏壓和反向偏壓。
1.正向偏壓
要對(duì)二極管施以偏壓,你必須在它的兩端加上直流電壓。正向偏壓(forward bias)就是指施加的偏壓能夠讓電流順利通過(guò)PN結(jié)。如圖1.20所示,一個(gè)直流電壓源通過(guò)導(dǎo)電材料(接點(diǎn)和導(dǎo)線)在二極管的兩端施加正向偏壓。此外施加偏壓的電壓值以V BIAS表示。圖中的電阻R可以限制電流的大小,使其不會(huì)損壞二極管。
請(qǐng)注意,偏壓V BIAS的負(fù)極端要接到二極管的N型區(qū),而正極端則要接到P型區(qū)。這是正向偏壓的第一個(gè)條件。第二個(gè)條件兢是偏壓的電壓值V BIAS,必須大于門檻電壓。
圖1.21示出,當(dāng)二極管處于正向偏壓的情況。就像同性電荷會(huì)彼此排斥,偏壓源的負(fù)端會(huì)排斥自由電子(N型區(qū)的主要載流子),使其流向PN結(jié)。這種自由電子的流動(dòng),稱為電子流。偏壓源的負(fù)極端也會(huì)提供連續(xù)的電子流,經(jīng)過(guò)外部的導(dǎo)線流入N型區(qū)。
偏壓源提供給自由電子充足的能量,以便克服耗盡的門檻電壓,然后流入P型區(qū)。一旦進(jìn)入P型區(qū),這些傳導(dǎo)電子就失去能量,而立刻與價(jià)帶的空穴結(jié)合,F(xiàn)在,電子只能位于P型區(qū)的價(jià)帶中,因?yàn)樗鼈優(yōu)榱丝朔T檻電壓,而失去太多的能量,無(wú)法繼續(xù)留在導(dǎo)帶內(nèi)。既然異性電荷相吸,偏壓源的正極會(huì)吸引并使價(jià)電子流向P型區(qū)的左方。于是P型區(qū)中的空穴就充當(dāng)中介作用或路徑,讓價(jià)電子能夠借道穿過(guò)P型區(qū)。電子從一個(gè)空穴流向下一個(gè)空穴,一路朝左方流去。而空穴(P型區(qū)的主要載流子)等于是(并非實(shí)際上)朝右方流向PN結(jié),從圖1. 21可以看出。這個(gè)空穴的等效流動(dòng),稱為空穴流。你可以將空穴流視為價(jià)電子流過(guò)P型區(qū),而空穴則提供電子流動(dòng)的唯一途徑。
當(dāng)電子流出P型區(qū),經(jīng)過(guò)釙部導(dǎo)線流到偏壓源的正極,它們會(huì)在P型區(qū)留下空穴;同時(shí),這些電子成為金屬導(dǎo)體中的傳導(dǎo)電子。回想一下,導(dǎo)體的導(dǎo)帶與價(jià)帶有部分重疊在一起,因此導(dǎo)體的電子比半導(dǎo)體的電子需要更少的能量就能成為自由電子。所以,就像有源源不斷的空穴流向PN結(jié),與持續(xù)穿過(guò)結(jié)面進(jìn)入P型區(qū)的電子結(jié)合。
(1)正向偏壓對(duì)耗盡區(qū)的作用
當(dāng)更多電子流入耗盡區(qū)時(shí),正離子的數(shù)目就會(huì)減少。當(dāng)PN結(jié)的另一邊有更多的空穴流入耗盡區(qū),負(fù)離子的數(shù)目也會(huì)減少。因?yàn)檎蚱珘涸斐烧、?fù)離子的減少,會(huì)造成耗盡區(qū)變窄,如圖1.22所示。
(2)正向偏壓對(duì)門檻電壓作用
回想一下,在耗盡區(qū)PN結(jié)兩端的正、負(fù)離子之間的電場(chǎng),形成所謂的能量丘,在平衡狀態(tài)時(shí)會(huì)阻止自由電子擴(kuò)散通過(guò)結(jié)面(參見(jiàn)圖1.19(b))。這就形成所謂的門檻電壓。
當(dāng)施加正向偏壓下,自由電子可以從偏壓源取得足夠的能量,就能克服門檻電壓就像爬過(guò)能量丘,通過(guò)耗盡區(qū)。電子要通過(guò)耗盡所需的能量等于門檻電壓。換句話說(shuō),當(dāng)電子通過(guò)耗盡區(qū)時(shí),它會(huì)損失等于門檻電壓的能量。這項(xiàng)能量的損失,會(huì)在PN結(jié)處產(chǎn)生等于門檻電壓(0.7V)的電壓降,如圖1.22(b)所示。另外在通過(guò)P型區(qū)和N型區(qū)時(shí),也會(huì)產(chǎn)生額外的較小電壓降,這是由于材料的內(nèi)部電阻所造成。對(duì)于摻雜的半導(dǎo)體材料,這個(gè)阻抗稱為動(dòng)態(tài)阻抗(dynamic resistance).因?yàn)楹苄,通常都?huì)忽略掉。
2.反向偏壓
反向偏壓( reverse bias)基本上能防止電流通過(guò)二極管。圖1.23顯示一個(gè)直流電壓源對(duì)二極管兩端施加反向偏壓的情形。這項(xiàng)外加的偏壓與正向偏壓同樣是以V BIAS表示。需要注意,此項(xiàng)偏壓的正極是連接到二極管的N型區(qū),而負(fù)極則連接到P型區(qū)。同時(shí)也請(qǐng)注意,此時(shí)的耗盡區(qū)比正向偏壓或平衡(未施加偏壓)時(shí)更寬。
圖1.24顯示,當(dāng)二極管在反向偏壓下所發(fā)生的情形。因?yàn)楫愋噪姾蓵?huì)互相吸引,因此偏壓源的正極會(huì)拉動(dòng)自由電子(P型區(qū)的多數(shù)載流子)離開PN結(jié)。當(dāng)電子流向電壓源的正極,就會(huì)產(chǎn)生額外的正離子。這樣會(huì)造成耗盡區(qū)更寬,多數(shù)載流子數(shù)目減少。
在P型區(qū),從電壓源負(fù)極流出的電子會(huì)成為價(jià)電子,從一個(gè)空穴經(jīng)過(guò)另一個(gè)空穴流向耗盡區(qū),并在耗盡區(qū)形成更多的負(fù)離子。這樣就會(huì)加寬耗盡區(qū),使得多數(shù)載流子數(shù)曰減少。這種價(jià)電子的流動(dòng)也可視為空穴被拉向正極。
在施加反向偏壓后,所產(chǎn)生電荷載流子的流動(dòng)屬于暫時(shí)性,只維持很短暫的時(shí)間。當(dāng)耗盡區(qū)加寬時(shí),多數(shù)載流子的數(shù)目也減少。當(dāng)更多的N型區(qū)和P型區(qū)缺乏多數(shù)載流子后,在正離子和負(fù)離子之間的電場(chǎng)就會(huì)增強(qiáng),直到耗盡區(qū)兩端的電壓等于偏壓VB.AS為止。此時(shí),瞬時(shí)電流基本上會(huì)停止,只剩下很小的反向電流存在,不過(guò)通常都予以忽略。
(1)反向飽和電流
在施加反向偏壓且在瞬時(shí)電流停止后,只有很小的電流存在,這是由N型區(qū)和P型區(qū)的少數(shù)載流子的流動(dòng)造成,而這些少數(shù)載流子是來(lái)自于熱擾動(dòng)所產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)。這些P型區(qū)的少量自由電子,被負(fù)偏壓推向PN結(jié)。當(dāng)這些電子到達(dá)寬大的耗盡區(qū),就會(huì)滑下能量丘并且像價(jià)電子一樣與N型區(qū)的少數(shù)載流子空穴結(jié)合,流向正偏壓端而形成一股小的空穴流。
P型區(qū)導(dǎo)帶與N型區(qū)導(dǎo)帶相比位于更高的能階。因此,少數(shù)載流子的電子就很容易通耗盡區(qū),因?yàn)樗鼈儾恍枰~外的能量。反向電流在圖1.25加以說(shuō)明。
(2)反向擊穿
一般來(lái)說(shuō),反向電流因?yàn)樘,可以加以忽略。但是,?dāng)反向偏壓增加到所謂的擊穿電壓(breakdown voltage)的電壓值時(shí),反向電流就會(huì)大幅地增加。
這是實(shí)際發(fā)生的現(xiàn)象。這個(gè)反向高電壓會(huì)賦予少數(shù)自由電子足夠的能量,使它們能夠加速穿過(guò)P型區(qū),它們會(huì)沖擊原子,并且因?yàn)閹в凶銐虻哪芰,就可將原子的價(jià)電子撞離軌道,進(jìn)入導(dǎo)帶。這些新產(chǎn)生的導(dǎo)電電子因?yàn)槿匀痪哂泻芨叩哪芰,因此可以重?fù)這種過(guò)程。如果一個(gè)電子在通過(guò)P型區(qū)的過(guò)程中,只另外撞擊兩個(gè)電子離開價(jià)軌道,則電子的數(shù)目就會(huì)快速倍增。當(dāng)這些高能電子通過(guò)耗盡區(qū),它們?nèi)匀痪哂凶銐虻哪芰客ㄟ^(guò)N型區(qū)成為傳導(dǎo)電子,而不會(huì)與空穴結(jié)合。
我們剛才所介紹的傳導(dǎo)電子的倍增現(xiàn)象,HDS402-E 稱為累增擊穿( avalanche),因此會(huì)產(chǎn)生大量的反向電流,而產(chǎn)坐的過(guò)量的熱能以至于燒壞二極管。
目前你已經(jīng)知道,在平衡狀態(tài)時(shí),沒(méi)有電子能夠越過(guò)PN結(jié)。一般來(lái)說(shuō),偏壓這個(gè)名詞指的就是利用直流電壓建立電子元件工作所需的某些條件。與二極管有關(guān)的兩種偏壓就是:正向偏壓和反向偏壓。任何一種偏壓,都必須在PN結(jié)的兩邊接上足夠的直流電壓和適當(dāng)?shù)臉O性。
在學(xué)習(xí)完本節(jié)的內(nèi)容后,你應(yīng)該能夠:參與討論二極管的偏壓特性;定義正向偏壓并且說(shuō)明所需條件;定義反向偏壓并且說(shuō)明所需條件;參與討論門檻電壓對(duì)正向偏壓的影響;解釋在正向偏壓時(shí),電流如何產(chǎn)生;解釋什么是反向電流;說(shuō)明二極管反向擊穿的原因;以能階圖解釋正向偏壓和反向偏壓。
1.正向偏壓
要對(duì)二極管施以偏壓,你必須在它的兩端加上直流電壓。正向偏壓(forward bias)就是指施加的偏壓能夠讓電流順利通過(guò)PN結(jié)。如圖1.20所示,一個(gè)直流電壓源通過(guò)導(dǎo)電材料(接點(diǎn)和導(dǎo)線)在二極管的兩端施加正向偏壓。此外施加偏壓的電壓值以V BIAS表示。圖中的電阻R可以限制電流的大小,使其不會(huì)損壞二極管。
請(qǐng)注意,偏壓V BIAS的負(fù)極端要接到二極管的N型區(qū),而正極端則要接到P型區(qū)。這是正向偏壓的第一個(gè)條件。第二個(gè)條件兢是偏壓的電壓值V BIAS,必須大于門檻電壓。
圖1.21示出,當(dāng)二極管處于正向偏壓的情況。就像同性電荷會(huì)彼此排斥,偏壓源的負(fù)端會(huì)排斥自由電子(N型區(qū)的主要載流子),使其流向PN結(jié)。這種自由電子的流動(dòng),稱為電子流。偏壓源的負(fù)極端也會(huì)提供連續(xù)的電子流,經(jīng)過(guò)外部的導(dǎo)線流入N型區(qū)。
偏壓源提供給自由電子充足的能量,以便克服耗盡的門檻電壓,然后流入P型區(qū)。一旦進(jìn)入P型區(qū),這些傳導(dǎo)電子就失去能量,而立刻與價(jià)帶的空穴結(jié)合。現(xiàn)在,電子只能位于P型區(qū)的價(jià)帶中,因?yàn)樗鼈優(yōu)榱丝朔T檻電壓,而失去太多的能量,無(wú)法繼續(xù)留在導(dǎo)帶內(nèi)。既然異性電荷相吸,偏壓源的正極會(huì)吸引并使價(jià)電子流向P型區(qū)的左方。于是P型區(qū)中的空穴就充當(dāng)中介作用或路徑,讓價(jià)電子能夠借道穿過(guò)P型區(qū)。電子從一個(gè)空穴流向下一個(gè)空穴,一路朝左方流去。而空穴(P型區(qū)的主要載流子)等于是(并非實(shí)際上)朝右方流向PN結(jié),從圖1. 21可以看出。這個(gè)空穴的等效流動(dòng),稱為空穴流。你可以將空穴流視為價(jià)電子流過(guò)P型區(qū),而空穴則提供電子流動(dòng)的唯一途徑。
當(dāng)電子流出P型區(qū),經(jīng)過(guò)釙部導(dǎo)線流到偏壓源的正極,它們會(huì)在P型區(qū)留下空穴;同時(shí),這些電子成為金屬導(dǎo)體中的傳導(dǎo)電子;叵胍幌,導(dǎo)體的導(dǎo)帶與價(jià)帶有部分重疊在一起,因此導(dǎo)體的電子比半導(dǎo)體的電子需要更少的能量就能成為自由電子。所以,就像有源源不斷的空穴流向PN結(jié),與持續(xù)穿過(guò)結(jié)面進(jìn)入P型區(qū)的電子結(jié)合。
(1)正向偏壓對(duì)耗盡區(qū)的作用
當(dāng)更多電子流入耗盡區(qū)時(shí),正離子的數(shù)目就會(huì)減少。當(dāng)PN結(jié)的另一邊有更多的空穴流入耗盡區(qū),負(fù)離子的數(shù)目也會(huì)減少。因?yàn)檎蚱珘涸斐烧、?fù)離子的減少,會(huì)造成耗盡區(qū)變窄,如圖1.22所示。
(2)正向偏壓對(duì)門檻電壓作用
回想一下,在耗盡區(qū)PN結(jié)兩端的正、負(fù)離子之間的電場(chǎng),形成所謂的能量丘,在平衡狀態(tài)時(shí)會(huì)阻止自由電子擴(kuò)散通過(guò)結(jié)面(參見(jiàn)圖1.19(b))。這就形成所謂的門檻電壓。
當(dāng)施加正向偏壓下,自由電子可以從偏壓源取得足夠的能量,就能克服門檻電壓就像爬過(guò)能量丘,通過(guò)耗盡區(qū)。電子要通過(guò)耗盡所需的能量等于門檻電壓。換句話說(shuō),當(dāng)電子通過(guò)耗盡區(qū)時(shí),它會(huì)損失等于門檻電壓的能量。這項(xiàng)能量的損失,會(huì)在PN結(jié)處產(chǎn)生等于門檻電壓(0.7V)的電壓降,如圖1.22(b)所示。另外在通過(guò)P型區(qū)和N型區(qū)時(shí),也會(huì)產(chǎn)生額外的較小電壓降,這是由于材料的內(nèi)部電阻所造成。對(duì)于摻雜的半導(dǎo)體材料,這個(gè)阻抗稱為動(dòng)態(tài)阻抗(dynamic resistance).因?yàn)楹苄,通常都?huì)忽略掉。
2.反向偏壓
反向偏壓( reverse bias)基本上能防止電流通過(guò)二極管。圖1.23顯示一個(gè)直流電壓源對(duì)二極管兩端施加反向偏壓的情形。這項(xiàng)外加的偏壓與正向偏壓同樣是以V BIAS表示。需要注意,此項(xiàng)偏壓的正極是連接到二極管的N型區(qū),而負(fù)極則連接到P型區(qū)。同時(shí)也請(qǐng)注意,此時(shí)的耗盡區(qū)比正向偏壓或平衡(未施加偏壓)時(shí)更寬。
圖1.24顯示,當(dāng)二極管在反向偏壓下所發(fā)生的情形。因?yàn)楫愋噪姾蓵?huì)互相吸引,因此偏壓源的正極會(huì)拉動(dòng)自由電子(P型區(qū)的多數(shù)載流子)離開PN結(jié)。當(dāng)電子流向電壓源的正極,就會(huì)產(chǎn)生額外的正離子。這樣會(huì)造成耗盡區(qū)更寬,多數(shù)載流子數(shù)目減少。
在P型區(qū),從電壓源負(fù)極流出的電子會(huì)成為價(jià)電子,從一個(gè)空穴經(jīng)過(guò)另一個(gè)空穴流向耗盡區(qū),并在耗盡區(qū)形成更多的負(fù)離子。這樣就會(huì)加寬耗盡區(qū),使得多數(shù)載流子數(shù)曰減少。這種價(jià)電子的流動(dòng)也可視為空穴被拉向正極。
在施加反向偏壓后,所產(chǎn)生電荷載流子的流動(dòng)屬于暫時(shí)性,只維持很短暫的時(shí)間。當(dāng)耗盡區(qū)加寬時(shí),多數(shù)載流子的數(shù)目也減少。當(dāng)更多的N型區(qū)和P型區(qū)缺乏多數(shù)載流子后,在正離子和負(fù)離子之間的電場(chǎng)就會(huì)增強(qiáng),直到耗盡區(qū)兩端的電壓等于偏壓VB.AS為止。此時(shí),瞬時(shí)電流基本上會(huì)停止,只剩下很小的反向電流存在,不過(guò)通常都予以忽略。
(1)反向飽和電流
在施加反向偏壓且在瞬時(shí)電流停止后,只有很小的電流存在,這是由N型區(qū)和P型區(qū)的少數(shù)載流子的流動(dòng)造成,而這些少數(shù)載流子是來(lái)自于熱擾動(dòng)所產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)。這些P型區(qū)的少量自由電子,被負(fù)偏壓推向PN結(jié)。當(dāng)這些電子到達(dá)寬大的耗盡區(qū),就會(huì)滑下能量丘并且像價(jià)電子一樣與N型區(qū)的少數(shù)載流子空穴結(jié)合,流向正偏壓端而形成一股小的空穴流。
P型區(qū)導(dǎo)帶與N型區(qū)導(dǎo)帶相比位于更高的能階。因此,少數(shù)載流子的電子就很容易通耗盡區(qū),因?yàn)樗鼈儾恍枰~外的能量。反向電流在圖1.25加以說(shuō)明。
(2)反向擊穿
一般來(lái)說(shuō),反向電流因?yàn)樘,可以加以忽略。但是,?dāng)反向偏壓增加到所謂的擊穿電壓(breakdown voltage)的電壓值時(shí),反向電流就會(huì)大幅地增加。
這是實(shí)際發(fā)生的現(xiàn)象。這個(gè)反向高電壓會(huì)賦予少數(shù)自由電子足夠的能量,使它們能夠加速穿過(guò)P型區(qū),它們會(huì)沖擊原子,并且因?yàn)閹в凶銐虻哪芰,就可將原子的價(jià)電子撞離軌道,進(jìn)入導(dǎo)帶。這些新產(chǎn)生的導(dǎo)電電子因?yàn)槿匀痪哂泻芨叩哪芰,因此可以重?fù)這種過(guò)程。如果一個(gè)電子在通過(guò)P型區(qū)的過(guò)程中,只另外撞擊兩個(gè)電子離開價(jià)軌道,則電子的數(shù)目就會(huì)快速倍增。當(dāng)這些高能電子通過(guò)耗盡區(qū),它們?nèi)匀痪哂凶銐虻哪芰客ㄟ^(guò)N型區(qū)成為傳導(dǎo)電子,而不會(huì)與空穴結(jié)合。
我們剛才所介紹的傳導(dǎo)電子的倍增現(xiàn)象,HDS402-E 稱為累增擊穿( avalanche),因此會(huì)產(chǎn)生大量的反向電流,而產(chǎn)坐的過(guò)量的熱能以至于燒壞二極管。
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