正反向偏置在二极管电路中的使用方式

正向偏置

在正向偏压中，相对于结的 n 型侧，正电压被施加到 p 型侧。以这种方式施加电压时，p 型区中的空穴和 n 型区中的电子被迫朝向结。这减小了耗尽层的宽度。施加到 p 型材料的正电荷排斥空穴，而施加到 n 型材料的负电荷排斥电子。电子和空穴之间的距离随着它们被推向结而减小。这降低了内置的势垒。随着正向偏置电压的增加，耗尽层最终变得足够薄，以至于内置电场不能再抵消穿过 PN 结的电荷载流子运动，从而降低电阻。穿过 PN 结进入 p 型材料的电子(或穿过 n 型材料的空穴)将在近中性区扩散。因此，近中性区的少数扩散量决定了可能流过二极管的电流量。

只有多数载流子(n 型材料中的电子或 p 型中的空穴)可以在宏观长度上流过半导体。考虑到这一点，请考虑电子穿过结的流动。正向偏压在电子上产生一个力，将它们从 N 侧推向 P 侧。使用正向偏压，耗尽区足够窄，电子可以穿过结并注入 p 型材料。然而，它们不会无限期地继续流过 p 型材料，因为在能量上有利于它们与空穴复合。电子在复合之前穿过 p 型材料的平均长度称为扩散长度，通常为微米数量级。

尽管电子在复合之前仅穿透很短的距离进入 p 型材料，但电流不会中断，因为空穴(多数载流子)开始以相反的方向流动，取代了少数载流子电子与之复合的空穴。总电流(电子和空穴电流的总和)在空间中是恒定的，因为任何变化都会导致电荷随时间累积(这是基尔霍夫电流定律)。空穴从 p 型区到 n 型区的流动与电子从 N 到 P 的流动完全相似(电子和空穴互换角色，所有电流和电压的符号都颠倒了)。

因此，流经二极管的电流宏观图涉及电子流经n型区流向结，空穴以相反方向流经p型区流向结，两种载流子在结的附近(由扩散长度给出)。电子和空穴以相反的方向行进，但它们也具有相反的电荷，因此根据需要，二极管两侧的总电流方向相同。

反向偏置

反向偏置通常是指二极管在电路中的使用方式。如果二极管反向偏置，则阴极电压高于阳极电压。因此，直到电场高到二极管击穿时才会有电流流动。

因为 p 型材料现在连接到施加电压的负侧，p 型材料中的空穴被拉离结，导致耗尽层的厚度增加。同样，因为 n 型区连接到正极，电子也会被拉离结。因此，耗尽层加宽，并且随着反向偏置电压的增加而增加。这增加了电压势垒，导致对电荷载流子流动的高阻力，从而仅允许非常小的电流通过 PN 结泄漏。

耗尽层电场的强度随着反向偏置电压的增加而增加。一旦电场强度增加超过临界水平，PN 结耗尽层击穿并且电流开始流动，通常是通过齐纳击穿或雪崩击穿过程。这两种击穿过程都是非破坏性的并且是可逆的，只要流过的电流量没有达到导致半导体材料过热和热损坏的水平。

这种效应在齐纳二极管稳压器电路中发挥了很大的作用。齐纳二极管的设计具有明确定义的低反向击穿电压。击穿电压的典型值为例如 6.2V。这意味着阴极电压永远不会比阳极电压高 6.2V 以上，因为如果电压升高，二极管会击穿，从而导通。这有效地限制了二极管两端的电压。

使用反向偏置二极管的另一个应用是变容(可变电容)二极管。耗尽层充当二极管的两个导电板或端子之间的绝缘体。电容是绝缘层宽度及其面积的函数。任何二极管的耗尽区宽度都会随着施加的电压而变化。这会改变二极管的电容。变容二极管特意设计为 PN 结的一侧轻掺杂，因此二极管的那一侧会有一个大的耗尽区。这个较厚的区域也将更多地受到施加的偏置电压的影响，因此二极管的电容变化 (ΔC/ΔV) 将是施加的偏置的强函数。

审核编辑：汤梓红