PN结二极管:电压特性

2020年1月30日

山坡上的旧蒸汽机车

如果不看旧的情景喜剧，你就错过了享受现代作家似乎忽略了的幽默的机会。在20世纪60年代，《衬裙交汇》的主角是布拉德利三姐妹，分别是比莉·乔、波比·乔和贝蒂·乔，她们帮助母亲和她的叔叔管理Shady Rest酒店。酒店旁边有一座大水塔，这座水塔也是姐妹俩的游泳池，也是1891年罗杰斯4-6-0蒸汽机车的停水站。每一集都讲述了一些小危机或快速致富的计划，总是包含简单的幽默。

在电子学领域，古老和简单仍然占有一席之地。虽然我们中没有人会发现连接到PN结二极管的快速致富方案，但这些设备仍然有一席之地，并继续提供价值。

通量电容器需要原子动力

在衬裙路口的Hooterville和Pixley之间沿着一条孤立的铁路行驶的Hooterville炮弹，也曾在电影《回到未来3》中作为时间机器出现过。实现时间旅行的通量电容器所需的1210,000,000瓦的功率需要一些原子理论知识。

每个原子都包含原子核中的质子和中子以及绕原子核运行的电子。电子在称为壳层的轨道上运动，最外层的轨道被称为价层。

虽然价壳层最多可以包含8个电子，但价壳层中电子的数量决定了原子的导电性。我们称在价层中有一个电子的原子为完美导体。价层中有8个电子的原子是绝缘体。导电性随价电子数量的增加而降低。

半导体材料如硅、锗和碳有四个价电子——如你所知——不能提供良好的电导或良好的绝缘性。

每个轨道壳层都有特定的能级，在壳层内运动的电子具有相同的能量。因为价壳层距离原子核最远，所以它的能级最高。

如果电子能吸收足够的能量从一层轨道跃迁到另一层，电子就能从一层轨道跃迁到另一层。吸收的能量等于初始能级和目标壳能级之间的差。另一个带叫做电导带，存在于原子的价壳层外。一个从价带跃迁到电导带的电子所吸收的能量必须等于电导带能级与价带能级之差。

当一个电子吸收了足够的能量使价导带跃迁时，它就进入了激发态。当一个被激发的电子回到原来的能级时，它会以光或热的形式放弃所吸收的能量。当原子通过与其他原子共享价电子来完成价壳层时，就会形成共价键。虽然这种类型的键不同于衬裙连接公司的布拉德利姐妹所共享的键，但它形成了一种固体物质，使原子在电上保持稳定。记住，完成价壳层会导致半导体材料转向黑暗的一面，成为绝缘体。

关于PN结材料

Hooterville Cannonball的工作人员包括一名消防员，他也是指挥。在实际的共价键中，要获得导电性，需要通过一种称为掺杂的过程，即将不纯电子添加到固有的或纯的硅或锗中。这个过程给共价键增加了额外的电子。当不纯元素包含三个电子并产生p型材料时，就会发生三价掺杂。五价掺杂元素包含五个电子并产生n型材料。

三排排列的二极管类型

了解在电路中工作的二极管类型可以更好地设计电路。

p型材料空穴较多，自由电子较少，n型材料电子较多，价带空穴较少。当考虑p型材料时，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。对于n型材料则相反。在两种材料中，价带和对流带具有不同的能级。

PN结材料效应在电气设计中的应用

一个独立的n型或p型材料所做的工作与乔叔叔在Shady Rest酒店所做的工作相同。

将p型和n型材料连接在一起可以使材料的导通带和价带在pn结形成时重叠。来自n型材料的自由电子扩散到p型材料。这个作用使自由电子被困在p型材料的价键空穴中。结果表明，n型材料中存在一个净正电荷，p型材料中存在一个净负电荷。

《衬裙交接处》系列中唯一的戏剧性事件发生在一个陌生人入住酒店或霍默·贝德罗试图关闭Hooterville炮弹店的时候。当pn结形成时，就会出现大规模的戏剧。

每个通过结扩散的电子在n型材料中留下一个带正电荷的键，并使p型材料中的一个键带负电荷。因为n型材料失去了一个导带电子，而p型材料失去了一个价带空穴，两个带都失去了载流子，并且在结的两边都存在一个损耗层。该层的总电荷在结的n侧为正，在p侧为负。当负电荷在结的p端积聚，而正电荷在结的n端积聚时，存在一个电位差——称为势垒电位。

PN结有效显示

PN结提供了有用的工作，而不是像乔叔叔一样坐着睡觉。控制损耗层的宽度可以控制结的电阻和可以通过半导体器件的电流量。用来控制结的宽度的电势是偏压。当施加的电势使n型材料变得比p型材料更负时，就会发生正向偏压。电流通过接点时阻力很小。当施加的电势使n型材料比p型材料更正时，就会发生反向偏置。结变宽，电流减少到几乎为零。