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为什么二极管对电流方向有限制作用?

二极管就是一个N型半导体和一个P型半导体“粘合”在一起的,但为什么会对电流方向有限制作用?

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2006-03-27

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    PN结的形成及单向导电性 如果采用某种工艺,使一块硅片的一边成为P型半导体,另一边为N型半导体,由于P区有大量空穴(浓度大),而N区的空穴极少(浓度小),因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散,并与N区的电子复合,在交界面附近的空穴扩散到N区,在交界面附近一侧的P区留下一些带负电的三价杂质离子,形成负空间电荷区。
    同样,N区的自由电子也要向P区扩散,并与P区的空穴复合,在交界面附近一侧的N区留下一些带正电的五价杂质离子,形成正空间电荷区。这些离子是不能移动的,因而在P型半导体和N型半导体交界面两侧形成一层很薄的空间电荷区,也称为耗尽层,这个空间电荷区就是PN结。
   正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场,称为内电场,其方向从带正电的N区指向带负电的P区,如图1所示。  空间电荷区的内电场一个方面对多数载流子的扩散运动起阻挡作用,另一方面对少数载流子(P区的自由电子和N区的空穴)起推动作用,使它们越过空间电荷区进入对方区域。
  少数载流子在内电场作用下的定向运动称为漂移运动。在一定条件下,载流子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡。达到平衡后,空间电荷区的宽度基本上稳定下来,PN结就处于相对稳定的状态。   若在PN结上加正向电压,即外电源的正极接P区,负极接N区,也称为正向偏置。
  此时外加电压在PN结中产生的外电场和内电场方向相反,内电场被削弱,多数载流子的扩散运动增强,形成较大的扩散电流(正向电流),PN结处于导通状态。在一定范围内,外电场愈强,正向电流(由P区流向N区的电流)愈大。
    正向偏置时,PN结呈现的电阻很低,一般为几欧到几百欧。 若在PN结上加反向电压,即外电源的正极接N区,负极接P区,也称为反向偏置。此时外加电压在PN结中产生的外电场和内电场方向一致,也破坏了扩散和漂移运动的平衡。
  外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移动,使得空间电荷增强,空间电荷区变宽,内电场增强,使多数载流子的扩散运动很难进行。  但另一方面,内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动。
  由于少数载流子数量很少,因此反向电流不大,即PN结呈现的反向电阻很高,可以认为PN结基本上不导电,处于截至状态。反向电阻一般为几千欧到十几兆欧。由于少数载流子是由于价电子获得热能(热激发)挣脱共价键的束缚而产生的。
    环境温度愈高,少数载流子的数量愈多,所以温度对反向电流的影响较大。 由以上分析可知,PN结具有单向导电性。在PN结上加正向电压时,PN结电阻很低,正向电流较大,PN结处于正向导通状态;加反向电压时,PN结电阻很高,反向电流很小,PN结处于截至状态。
   图中是半导体PN结在零偏﹑负偏﹑正偏下的耗尽区。  扩散的结果使得结合区两侧的P型区出现负电荷,N型区带正电荷,形成一个势垒,由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行,当两者达到平衡时,在PN结两侧形成一个耗尽区,耗尽区的特点是无自由载流子,呈现高阻抗。
  当PN结反偏时,外加电场与内电场方向一致,耗尽区在外电场作用下变宽,使势垒加强;当PN结正偏时,外加电场与内电场方向相反,耗尽区在外电场作用下变窄,势垒削弱,使载流子扩散运动继续形成电流,此即为PN结的单向导电性,电流方向是从P指向N。
     。

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