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正向和反向偏置PN二极管解析

时间:2024-05-05 14:48

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导读:在本文中,我们将讨论正向和反向偏置PN二极管。我们还推导了方程并求解了一个数值示例。首先,让我们看一下反向偏置的pn二极管。...

在本文中,我们将讨论正向和反向偏置PN二极管。我们还推导了方程并求解了一个数值示例。首先,让我们看一下反向偏置的pn二极管。

反向偏置PN二极管

图1显示了具有反向偏置的PN二极管,即电池的负极连接到二极管的P侧,正极端子连接到N侧。随着连接的极性,P区中的空穴和N区的电子远离结点,耗尽区的宽度增加。势垒的高度随量 V 增加。这种增加的势垒高度有助于减少多数载流子流向另一侧,即从P侧到N侧的空穴和从N侧到P侧的电子。然而,少数载流子的流动仍然不受势垒高度增加的影响,因为这些少数载流子会落在势能势垒下。因此,从N侧到P侧的净小反向电流流过由少数载流子携带的二极管。这个小电流是二极管反向饱和电流,其大小用 I 表示 0 .

反向偏置PN二极管

反饱和电流 I0由下属给出,

I_0 = Aq [dfrac{D_P}{L_P N_D} + dfrac{D_n}{L_n N_A}]n_1^2..........(1)

其中 A 是器件的横截面积

D P (D n )是空穴(电子)的扩散常数,

L P (L n )是空穴(电子)的扩散长度

N D (N 一个 )是供体(受体)杂质密度和n我是空穴和电子的固有浓度。

内在浓度 n我由以下等式给出

n_i^2 = A_O T^3 epsilon^{dfrac{-E_{GO}}{k_T}}.........(2)

等式(2)也可以表示为:

N_i^2 = A_O T^3 epsilon^{dfrac{-V_{GO}}{V_T}}...........(3)

其中 V去电压(以伏特为单位)在数值上等于禁止的间隙能量 E去以 eV 和 V 为单位T是温度的伏特当量。

I 的值0取决于 P 和 N 区域的特性以及工作温度。在室温(300 K)下,I0对于Ge二极管,通常约为1 nA,对于硅二极管。这种反向饱和电流 I0与反向偏置的大小无关,但随着温度 T 的升高而增加。

正向偏置PN二极管

图2显示了具有正向偏置V的PN二极管,即电压源V的正极端子连接到P侧,负极端子连接到N侧。在这种正向偏置下,P区中的空穴和N区中的电子更靠近结点。耗尽区的宽度减小,势垒电位降低到(V 0 -V)。这种降低的势垒电位导致从P侧到N侧的多数载流子空穴通过结的流动增加,以及从N侧到P侧的多数载流子电子的增加。穿过结点的这两个电流分量加起来形成从 P 侧到 N 侧(即正向)穿过结点的常规电流,由下式给出,

I_F = I_0 epsilon^{dfrac{V}{V_T}}.........(4)

正向偏置pn二极管

然而,由于少数群体的携带者跌落了障碍物,因此少数携带者的流动不会因障碍潜力的降低而改变。因此,反向电流不受影响,等于反向饱和电流I0由等式(1)给出。因此,净正向电流由下式给出,

I = I_F-I_0 = I_0[epsilon^{dfrac{V}{V_T}}-1]..........(5)

公式(5)是半导体二极管方程式,适用于施加电压V的正值和负值,即正向偏置和反向偏置。对于反向偏置,V 为负值,远大于 VT (约0.026 伏),因此 I 等于 I 0 .

等式(5)忽略了载流子生成和重组的影响。这种省略对 Ge 器件有效,但对 Si
器件无效。因此,PN二极管中电流I的更一般表达式是,

I = I_0 [epsilon^{dfrac{V}{eta V_T}}-1]...........(6)

其中 eta = 1 Ge 为 Ge,2 为 Si 二极管,额定电流。

公式(5)显示,正向电流呈指数增长,结两端的正向电压V可用。

较大的前向偏差 |正向和反向偏置PN二极管

对于较大的前向偏置,V 等于 V 0 ,势垒变为零,超过二极管额定电流的非常大的电流往往会流动。然而,在实际操作中,电流会受到二极管的体积电阻和欧姆触点电阻的限制。因此,只有一小部分施加的正向偏置V出现在PN结上,电流主要由该总器件电阻控制。由于该总器件电阻是恒定的,因此伏安特性几乎是一条直线。

例1:在Ge二极管中,反向饱和电流I0是 .计算 0.2、0.3 和 0.4 伏正向电压在 300 K 室温下的正向电流。

溶液:

I_0 = 6 mu AI = I_0(epsilon^{dfrac{V}{V_T}}-1)V_T(伏特) = dfrac{kT}{q} = dfrac{T}{11600} = dfrac{300}{11600} = 0.026 伏

在 V = 0.2 伏时,

I = 6(epsilon^{dfrac{0.2}{0.026}}-1) mu A = 13.15 mA

在 V = 0.3 伏时,

I = 6(epsilon^{dfrac{0.3}{0.026}}-1) mu A = 615 毫安

在 V = 0.4 伏时,

I = 6(epsilon^{dfrac{0.4}{0.026}}-1) mu A = 28.8 安培

教程问题

在 Ge 二极管中,反饱和电流为 I_0 = 8 μ A。计算 0.05 K
室温下 0.1 伏、0.1 伏和 0.2 伏正向电压的正向电流。

[答: ,366 mu A16.72毫安]

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