【模拟电子技术】03-PN与二极管的特性
上节中有提到对PN结施加反向电压时,会使得PN结所形成的势垒增加,阻止多子到另一边。在掺杂浓度比较低的时候,外加电场加强,中间的耗尽层会加长,变成了一个粒子加速器,自由电子进去后不断加速。直到某一电场强度时,粒子加速足够大的时候,撞在了共价键上,破坏共价键中的粒子,然后带其一起加速,1变2,2变4……2n增长这便是雪崩击穿,注意这是浓度低的时候。
浓度高的时候,耗尽层会很窄,场强极大,大到可以把固定的粒子之间拉出来,这就是齐纳击穿。注意是反向击穿导致发热,而不是反过来。因为从二极管V-A特性曲线可以看出,在反向击穿点附近,即使在电压变化很小的时候,电流也会变化极大。电压×电流就是功率,这里负载只有一个电阻,那只能转化为热能了。电阻发热,PN结也发热,因此说是反向击穿导致发热。一旦过热导致二次击穿,那PN结彻底损坏。
另外,温度升高齐纳击穿所需要的电压减小,这很容易理解:首先我们还记得齐纳击穿发生在浓度高的时候,我们还知道温度高,粒子活跃,容易蹦出来,更容易发生齐纳击穿。但温度升高雪崩击穿所需要的电压增大,这就需要我们对雪崩击穿理解比较深:雪崩击穿需要加速到一定速度时候撞在共价键上才能把其中粒子带下去,但是温度升高,晶格中固定的粒子活跃,震动的幅度很大,加速电子可能刚起步就被拦截下来了,并不能经过一段距离的加速,因此它需要的加速度更大,需要的场强更大,也就是需要的电压更大!(不得不说郑益慧老师讲的真形象)
利用反向击穿这段曲线的特点:电流变化很大,但是电压几乎不变。我们可以设计出稳压二极管(通过前面的分析我们很容易理解:可以通过控制掺杂浓度控制反向击穿电压)。郑益慧老师在这里还问了一个问题:我们掺杂是为了获得更多多子,比如掺杂P是为了获得电子,那为什么不掺杂六价元素呢?七价元素?这里弹幕是这样说的:6价元素的话4个成键,剩下2个电子或许还能搭个伴,成双对的电子不那么愿意跑出去,术语说就是电离能量相对较高,一般是导带附近的深能级。我们也可以通过GPT来得到这个问题的答案。
接下来,引出势垒电容,扩散电容的概念:这整个PN结左侧有空穴,右侧有电子。像什么?是不是很像电容。
电容的物理概念:电荷量随着电压变化而变化。那PN结不就是如此吗,也就有了势垒电容。漂移电容可以理解为非平衡少子扩散运动随外电场变化产生的电荷量变化。
图中便是集成电路中,一个二极管和多个二极管占用体积一样的原因:同一块材料可以造多个PN结,甚至可以嵌套。