电子禅国际__您我的精神家园
发新话题

【大象讲堂18】能通过反偏PN结的四种电流

本主题由 大象 于 2020-4-22 13:30 加入精华

【大象讲堂18】能通过反偏PN结的四种电流

PN结具有单向导通的特性,用途很广。正向导通理解上没有什么难度。但是反向不导通,却经常遇到存在电流的情况。特别是MOS管的饱和区沟道夹断,及三极管的集电极,都是一个PN结反偏,为什么还有能通过电流呢?

笔者做过几年高校老师,这个问题年年都有学生问。这里试用图片做一个详细的解答。

以硅为例说明,硅原子有14个核外电子,其中有10个是内层电子一般不参与外界活动,所以只考虑最外层轨道的4个价电子。而硅最外层轨道可以容纳8个电子,于是硅就会以正四面体结构共用电子。为了简化,我们以二维平面方式画出,如图1所示。


图1. 硅与P型N型杂质

图1中可以看到,本征硅与周围四个硅原子共用电子,就达到了8个电子的稳定状态,它的导电性能很弱。常用的器件需要掺入杂质原子,比如掺入有5个共价电子的N型杂质,就多余一个电子。掺入有3个共价电子的P型杂质,就会留下空穴,空穴并不是实际存在的粒子,只是一个空位。

当P型和N型区域靠近时,它们就会各取所需。为方便图示,这里只显示杂质原子。P型原子得到一个电子填补了空穴,显负电性。N型原子失去一个电子,显正电性。在交界处就会形成一个PN结,这时候显电性的原子构成空间电荷区,形成一个内建电场,方向如粉色箭头所示。这个内建电场阻止了N型区的电子的进一步填补P型区的空穴,也可以说是先前得到电子显负电的P型原子会排斥后续的电子过来。


图2. PN结的形成

但是,是不是内建电场可以阻止所有电子穿越呢?不是,总有一些电子能量比较高,角度比较好,能穿越空间电荷区。这就是PN结反偏虽然不导电,但是会有很小漏电流的原因。如图3所示。


图3.漏电示意图

如果空间电荷区比较宽,电子要穿越就需要更高的能量。高能电子经过时,有可能撞击其他电子。一个变成了一双,甚至发生连锁反应,导致电流倍增。如果不控制电流,PN 结可能发热烧毁。如图4所示。


图4.雪崩击穿示意图

还有一种情况叫齐纳击穿,它没有雪崩击穿这么猛烈。如果由于内建电场太强,空间电荷区本来已经和空穴复合的电子,又获得能量离开空穴,从而形成电流。


图5. 齐纳击穿示意图

雪崩击穿一般在低掺杂高电压,空间电荷区很宽时容易发生,并随温度升高而升高。但是齐纳击穿在高掺杂低电压,空间电荷区很窄时容易发生,具有负温度系数。这两类击穿可以同时发生。

说到这里,PN结除了漏电,雪崩击穿和齐纳击穿外,反偏应该没有电流了吧。其实不然,在MOS管的饱和区沟道夹断,及三极管的集电极反偏,都好像是一个反偏的PN结,但是电流仍然可以流过。这时这么解释呢?

这是因为PN结是受外界控制的。MOS管是靠栅极电压控制的,三极管是靠基极电压控制的。它们给了电子额外的能量,让它们能注入并通过空间电荷区。如果撤掉外界电压,比如MOS栅极撤掉电压,或者三极管基极没有正偏导通,那么这时候的MOS管和三极管就不会流过电流。


图6. 受控的PN结

反偏的PN结并不是无法通过电流。而是没有其他因素控制时,不考虑漏电或雪崩或齐纳击穿的话,它是有效截止的,不能通过电流。

但是,如果在反偏的基础上,用外来电压控制电子注入反偏PN结的空间电荷区,那么它就像一个大电阻一样,并不能阻止电流通过。

举例来说,就像水流被大坝拦截,要通过好像只有三种方法:少量的漏过去(漏电)或冲垮大坝(雪崩击穿)或大坝薄的地方渗过去(齐纳击穿)。但是实际上还有第四种方法:吹起台风掀起水浪漫过去(靠外压通过)。

不知道这样讲清楚了没有。(大象讲堂18)


附件

头条发表1.png (447.51 KB)

2020-4-22 18:52

头条发表1.png

TOP

发新话题
最新文章


主页【电子禅国际】 论坛【电子禅论坛】 最新【电子禅最新】 赞赏【赞赏】