PN结

学习数学分析电路需要学习和实践。通常,学生通过大量的实践工作示例问题与那些课本提供的检查他们的答案或老师。虽然这是好的,有一个更好的方法。

你会学到更多构建和分析实际电路,让您的测试设备提供“答案”,而不是一本书或另一个人。成功circuit-building练习,遵循这些步骤:

1. 仔细测量和记录所有组件值电路施工之前,选择电阻的值足够高,使活性成分可能损坏。
2. 画出电路原理图,进行分析。
3. 精心构建这个电路试验板或其他方便的媒介。
4. 检查电路的准确性的建设,每个线每个连接点,并验证这些元素在图上一个接一个。
5. 解决数学分析电路,电压和电流的值。
6. 仔细测量电压和电流,来验证你的分析的准确性。
7. 如果有任何实质性的错误(超过百分之几),仔细检查你的电路的建筑图,然后仔细计算值和re-measure。

当学生第一次学习半导体设备和最有可能损害他们通过不当连接电路,我建议他们与大型实验,灿烂的组件(1 n4001整流二极管,- 220或到3例功率晶体管,等等),并使用干电池电池电源而不是台式电源。这降低了组件损坏的可能性。

像往常一样,避免极高和极低电阻的值,以避免测量误差引起的计“加载”(高端),避免晶体管倦怠(低端)。我建议1 kΩ之间的电阻和100 kΩ。

一个方法你可以节省时间和减少错误的可能性逐步开始从一个非常简单的电路和添加组件增加其复杂性分析后,而不是为每个实践构建一个全新的电路问题。另一个节省时间的技巧是重用相同的组件在各种不同的电路配置。这种方式,你不需要测量任何组件的价值不止一次。

PN结的电压和电流之间的关系是这个方程来描述的,有时也称为“二极管方程,”或“肖克利的二极管方程”后其发现者:

在那里,

我_D在安培=当前通过PN结

我_年代= PN结饱和电流,安培(通常1 picoamp)

e =欧拉数≈2.718281828

q =电子单位电荷,1.6×10⁻¹⁹库仑

V_D=电压PN结,伏特

N = Nonideality系数、发射系数(通常是1和2之间)

玻尔兹曼常数k = 1.38×10⁻²³

T =结温,开尔文

起初这个方程似乎是非常艰巨的,直到你意识到只有三个变量:我_D,V_D是常数,t .所有其他的条款。因为在大多数情况下,我们假设温度是相当恒定的,我们只处理两个变量:二极管电流和二极管电压。基于这一认识,重写方程作为一个比例,而不是一个平等、展示二极管电流和电压关系的两个变量:

在此基础上简化方程,PN结的I / V图看起来像什么?这个图表是如何比较的I / V图电阻吗?

的典型颜色的发光气体放电电灯是能量的结果发出的气体原子中电子,因为他们从高层“兴奋”国家回到自然(“地面”)。电子行为的一般规则,他们必须从外部源吸收能量跳跃到一个更高的水平,他们释放能量在回到原来的水平。

鉴于这种现象的存在,你怀疑可能是发生在一个PN结作为进行电流吗?

当“P”和“N”型半导体片进入密切接触,自由电子的“N”块会冲到填补“P”,创建一个带两边的接触区缺乏运营商收费。这是什么区,其电特性是什么?

发生了什么阻挡层的厚度在PN结一个外部电压时?

这里显示是两个能量图:一个用于P型半导体材料,另一个“N”型。

接下来是一个能量图显示最初的州当这些两块半导体材料被带进接触对方。这就是所谓的flatband图:

“flatband”图所代表的国家绝对是暂时的。这两种不同费米水平彼此不兼容在缺乏外部电场。

画一个新的能量图代表最后的能量状态后两个费米水平平衡的。

注意:E_f代表了费米能级,而不是电压。在物理学中,E总是代表能量和V电位(电压)。

画一个能量图对半导体PN结的影响下反向外部电压。

画一个能量图对半导体PN结的影响下向前外部电压。

画一个半导体PN结的能量图显示电子和空穴的运动进行电流。

这是二极管正向偏压或反向偏置吗?

插入一个二极管在电路原理图正确的方向正向偏压由电池电压:

大多数入门教科书会告诉你,硅PN结下降0.7伏特正向偏压时,和一个锗PN结正向偏压时下降0.3伏特。设计一个电路,测试“正向电压(V_Fpn结二极管),所以你可能自己测量电压,不使用一个特殊的diode-testing计。

如果半导体PN结反向偏置,理想情况下没有连续的电流会通过它。然而,在现实生活中会有少量的反向偏压电流穿过结。这怎么可能?这个反向电流允许什么?

肖克利二极管方程的标准形式相当冗长,但它可能是室温条件大大简化。请注意,如果温度(T)被认为是室温(25^oC),有三个常量的方程是相同的所有PN结:T, k, q。

$ $ I_D = I_S (e ^{\压裂{qV_D} {NkT}} 1) $ $

数量\(\压裂{kT} {q} \)被称为热电压结。计算这个热电压的值,给定一个室温25^oc .然后,这个量代入原“二极管公式”,以简化其外观。

一个学生这样的电路,为塑造一个二极管收集数据:

测量二极管电压和二极管电流电路,学生生成下面的表的数据:

V二极管 我二极管 0.600 V 1.68马 0.625 V 2.88马 0.650 V 5.00马 0.675 V 8.68马 0.700 V 14.75马 0.725 V 27.25马 0.750 V 48.2马

这个学生知道PN结的行为遵循肖克利的二极管方程,方程可以简化为以下形式:

在那里,

K =一个常数合并热电压和nonideality系数

这个实验的目的是计算K和我_年代,二极管的电流可以预测任意电压降的价值。然而,方程必须简化一点之前学生可以继续。

在大量的当前水平,指数项非常比团结\ ((e ^{\压裂{V_{二极管}}{K}} > > 1) \),所以等方程可以简化为:

从这个方程,确定学生如何计算K和我_年代从数据表所示。此外,解释这个学生可能会验证这些计算值的准确性。

为了简化分析,电路包含PN结,一个“标准”的正向电压降假定任何进行连接,确切数字,取决于类型的半导体材料结是由时间组成的。

认为是多少电压下降在进行吗硅PN结吗?假设电压正向偏压的多少锗PN结吗?确定一些因素导致真正的正向电压降的PN结偏离其“标准”的人物。

一个正向偏压半导体PN结并不拥有一个“抵抗”以同样的方式作为一个电阻器或线的长度。任何尝试应用欧姆定律二极管,然后,从一开始就注定要失败。

这并不是说,我们不能分配动态不过,抵抗PN结的价值。阻力来自欧姆定律的基本定义,并表达了导数形式是这样的:

$ $ R = \压裂{dV} {dI}

电流和电压有关的基本方程为一个PN结肖克利的二极管方程:

$ $ I = I_S (e ^{\压裂{qV} {NkT}} 1) $ $

在室温下(约21摄氏度,或294度K), PN结的热电压约为25毫伏。用1代替nonideality系数,我们可能只是二极管方程:

$ $ I = I_S (e ^{\压裂{V}{0.025}} 1) \ \ \ \ \ \ \ \ \ \或\ \ \ \ \ \ \ \ \ \我= I_S (e ^ {40 V} - 1) $ $

微分方程对V,以便确定\(\压裂{dI} {dV} \),然后报答找到数学定义为动态阻力\((\压裂{dV} {dI}) \) PN结。提示:饱和电流(I_年代)是一个非常小的常数对于大多数二极管,最后方程应该表达动态电阻的热电压(25 mV)和二极管电流(I)。

衡量一个硅整流二极管的正向电压降,如1 n4001模型。距离测量正向电压降的“理想”图通常认为硅PN结吗?当你增加二极管的温度继续用你的手指吗?当你降低二极管的温度通过触摸一个冰块吗?

不导电的PN结的耗尽区形成寄生电容P和N半导体之间的地区。电容的增加或减少作为一个更大的反向偏压PN结电压?解释你的答案。