十一年级

十一年级电子与通信Semiconductors


PN 结和二极管


在电子和通信领域,半导体发挥着至关重要的作用。在各种半导体器件中,PN 结是基本的构建模块,对于广泛的应用至关重要。了解 PN 结对于深入研究电子学的人来说是必不可少的,因为它是许多半导体器件(如二极管、晶体管、太阳能电池等)的关键组件。

什么是半导体?

在我们深入研究 PN 结和二极管之前,让我们先澄清一下什么是半导体。半导体是导电性介于导体(如金属)和绝缘体(如玻璃)之间的材料。硅(Si)和锗(Ge)是最常用的半导体。半导体的独特性质使其成为控制电流的理想材料。

本征半导体和杂质半导体

本征半导体

本征半导体是不含任何显著杂质原子的纯半导体。它们的电子和空穴(缺失的电子)数量相等。在绝对零度下,本征半导体表现得像完美的绝缘体。

杂质半导体

向半导体中添加杂质会形成杂质半导体。这一过程称为掺杂。掺杂的半导体主要有两种类型:p 型和 n 型。

n 型半导体

在 n 型半导体中,添加的杂质具有比半导体更多的电子。例如,向硅(其外层有四个电子)中添加磷(其外层有五个电子)会形成 n 型半导体。磷原子的额外电子提供了电荷载流子。

Si + P → n 型半导体

p 型半导体

在 p 型半导体中,添加的杂质具有比半导体更少的电子。例如,向硅中添加硼(其外层有三个电子)会形成 p 型半导体。这会产生“空穴”或正电荷载流子。

Si + B → p 型半导体

PN 结的形成

当 p 型和 n 型半导体结合时,它们形成了PN 结。此结是许多半导体器件的核心。

N 型P 型

耗尽区

在 PN 结处,n 型区域的电子扩散到 p 型区域并与空穴复合。这一过程留下了带电粒子,并创造了一个没有电荷载流子的区域,称为耗尽区

势垒电压

耗尽区形成了一个势垒,阻止电荷载流子的进一步流动。这称为势垒电压。对于硅,典型势垒电压约为 0.7 伏,而对于锗,则约为 0.3 伏。

二极管:使用 PN 结

二极管是一种半导体器件,主要允许电流向一个方向流动。它由一个 PN 结构成,并具有两个端子:阳极和阴极。二极管的基本特性是仅当阳极处于比阴极更高的电位时允许电流通过。这称为正向偏置

正向偏置

在正向偏置中,向 p 型材料施加正电压,向 n 型材料施加负电压,从而导致电流流过结。在这种情况下,势垒电压降低,允许电子和空穴穿过结。

N 型P 型正向偏置+V0V

反向偏置

在反向偏置中,向 p 型材料施加负电压,向 n 型材料施加正电压。耗尽区变宽,势垒电压增大,有效阻止电流流动。

N 型P 型反向偏置0V-v

二极管特性

二极管具有一个称为 I-V(电-压)特性的特性曲线。在正向偏置区域,二极管在超过门槛电压后以指数形式导电。在反向偏置区域,只有很小的漏电流流动,直到击穿。

V_d > 0 → I ≈ I_s * (e^(V_d/nV_t) - 1)

这里,I_s 是饱和电流,V_d 是二极管电压,n 是理想因子,V_t 是热电压。

二极管的应用

二极管用于广泛的应用:

  • 整流器:用于将交流电转化为直流电。
  • 限幅器和钳位器:用于整形波形信号。
  • 电压倍增器:用于产生更高的电压。
  • 太阳能电池:利用光伏效应结合二极管特性。

齐纳二极管:一种特殊类型的二极管

齐纳二极管设计用于在电压超过某个值即齐纳击穿电压时,使电流沿反方向流动。它通常用作电压调节器。

齐纳击穿

在反向偏置条件下,在某个反向电压处,齐纳二极管允许显著电流而不损坏。这种现象称为齐纳击穿

I_z = (V_z-V_l)/R_z

这里,I_z 是流过齐纳二极管的电流,V_z 是齐纳电压,V_l 是负载电压,R_z 是限流电阻。

发光二极管(LED)

LED 是一种特殊的二极管,当电流通过时发光。光的波长(因此颜色)取决于所用的半导体材料。

LED 的工作原理和应用

当 LED 向前倾斜时,电子与空穴复合,释放能量为光。LED 是节能的,用于显示系统、指示器和照明。

结论

了解 PN 结和二极管在电子学研究中非常重要。二极管在电路中执行关键功能,从控制电流水流方向到调节电压。随着技术的发展,半导体和二极管的应用日益增加,使其在现代电子设备中愈发重要。

在本次讨论中,我们介绍了 PN 结的基础知识,探讨了二极管的功能和应用,并涉及了一些特殊类型,如齐纳二极管和 LED。这些组件中的每一个都在电子电路的功能中发挥着至关重要的作用,为技术的进步铺平了道路。


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