半導體器件 - 結偏置

偏置一詞是指施加直流電壓以建立某些工作條件。或者當外部能源施加到 PN 結時，稱為偏置電壓或簡稱偏置。這種方法要麼增加要麼減少結的勢壘電勢。結果，勢壘電勢的降低導致載流子返回耗盡區。以下兩種偏置條件應用於 PN 結。

• 正向偏置 - 外加電壓與勢壘電勢極性相同，導致耗盡區寬度增加。

• 反向偏置 - PN 結以這樣的方式偏置，即施加外部電壓的作用阻止載流子進入耗盡區。

正向偏置

下圖顯示了一個正向偏置的 PN 結二極體，外加電壓。您可以看到電池的正極連線到 P 材料，電池的負極連線到 N 材料。

以下是觀察結果 -

• 此偏置電壓排斥每種 P 型和 N 型材料的大多數載流子。結果，大量的空穴和電子開始出現在結處。

• 在結的 N 端，電子移動以中和耗盡區中的正離子。

• 在 P 型材料側，電子從負離子中被拉出，導致它們再次變為中性。這意味著正向偏置使耗盡區以及勢壘電勢也隨之崩潰。這意味著當 PN 結正向偏置時，它將允許連續電流流動。

下圖顯示了正向偏置二極體的載流子流動。由於連線到二極體的外部電壓源，可獲得恆定的電子供應。電流的流動和方向由圖中二極體外部的大箭頭表示。請注意，電子流和電流流指的是同一件事。

以下是觀察結果 -

• 假設電子透過導線從電池負極流向 N 型材料。進入這種材料後，它們立即流向結處。

• 類似地，在另一側，相同數量的電子從 P 端被拉出並返回到電池正極。此操作會產生新的空穴並導致它們向結處移動。

• 當這些空穴和電子到達結處時，它們會結合在一起並有效地消失。結果，新的空穴和電子出現在二極體的外端。這些多數載流子是持續產生的。只要施加外部電壓源，此操作就會持續進行。

• 當二極體正向偏置時，可以注意到電子流過二極體的整個結構。這在 N 型材料中很常見，而在 P 型材料中，空穴是移動的載流子。請注意，空穴在一個方向上的運動必須以電子在相反方向上的運動開始。因此，總電流是空穴和電子流過二極體的總和。

反向偏置

下圖顯示了反向偏置的 PN 結二極體，外加電壓。您可以看到電池的正極連線到 N 型材料，電池的負極連線到 P 型材料。請注意，在這種佈置中，電池極性與二極體的材料極性相反，以便異性電荷相互吸引。因此，每種材料的大多數載流子都被從結處拉開。反向偏置導致二極體不導電。

下圖顯示了反向偏置二極體中大多數載流子的排列。

以下是觀察結果 -

• 由於電路的作用，N 型材料的電子被拉向電池正極。

• 每個移動或離開二極體的電子都會在其位置產生一個正離子。結果，這會導致結 N 端耗盡區寬度等效增加。

• 二極體的 P 端具有類似於 N 端的效果。在此操作中，一些電子離開電池負極並進入 P 型材料。

• 然後，這些電子直接移動並填充一些空穴。每個被佔據的空穴隨後變成一個負離子。然後，這些離子被電池負極排斥並驅向結處。由於這一點，結 P 端的耗盡區寬度增加。

耗盡區的總寬度直接取決於反向偏置二極體的外部電壓源。在這種情況下，二極體無法有效地支援電流流過寬的耗盡區。結果，電荷開始在結處發展並增加，直到勢壘電勢等於外部偏置電壓。在此之後，二極體表現為非導體。