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问题

请教一个模电的问题，任何pn结的导通电压都是0.7v吗？

回答
问得好！“任何PN结的导通电压都是0.7V吗？”这个问题看似简单，但背后涉及到不少半导体物理的细微之处。答案是：不，并非所有PN结的导通电压都是0.7V，0.7V只是一个非常常见的参考值，尤其对于硅基PN结而言。

让我来为你详细拆解一下。

什么是PN结的导通电压？

首先，我们得明确什么是“导通电压”。在PN结中，我们通常指的是开启电压（Turnon Voltage）或门槛电压（Threshold Voltage）。当外加电压（通常是正向偏压，即阳极接正、阴极接负）达到一定值时，PN结的势垒会被克服，载流子（电子和空穴）开始大量注入，PN结就会导通，允许电流通过。这个开始显著导通的电压点，我们称之为导通电压。

为什么会有导通电压？

这要从PN结的形成说起。

1. 掺杂与载流子分布： PN结是由P型半导体（空穴多）和N型半导体（电子多）紧密接触形成的。在界面处，由于载流子浓度梯度，会发生扩散。N区的电子扩散到P区，P区的空穴扩散到N区。
2. 空间电荷区（耗尽区）的形成： 当电子扩散到P区后，会与P区的空穴复合，留下带负电的受主离子。同样，空穴扩散到N区后，会与N区的电子复合，留下带正电的供主离子。这样，在PN结界面附近就形成了一个区域，其中不含自由载流子，只剩下固定的带电离子。这个区域被称为空间电荷区或耗尽区。
3. 内建电场（势垒）： 这个空间电荷区的存在，使得P区靠近界面处带负电，N区靠近界面处带正电。这就像在PN结内部形成了一个内置的电场，其方向是从N区指向P区。这个电场会阻碍进一步的扩散，直到达到平衡。这个电场在PN结两端产生了一个电位差，我们称之为内建电势（Builtin Potential）或势垒高度（Barrier Height）。

正向偏压如何克服势垒？

当我们给PN结施加正向偏压时（阳极接正，阴极接负），外加电压的电场方向与内建电场的方向相反。

外加电压会把P区的空穴推向PN结，同时把N区的电子推向PN结。
随着外加电压的增加，它逐渐抵消了内建电场。
当外加电压略小于内建电势时，只有少数载流子（少数电子在P区，少数空穴在N区）能够越过势垒，形成很小的正向漏电流。
当外加电压接近并超过内建电势时，势垒被显著降低，大量的多数载流子（P区的空穴和N区的电子）就能很容易地越过势垒，PN结开始大量导通，电流急剧增大。

导通电压的本质：内建电势

所以，PN结的导通电压实际上就是它内部的内建电势（或接近于内建电势）。这个内建电势决定了克服势垒所需的电压。

为什么硅的导通电压是0.7V？

材料是关键： 不同的半导体材料，其掺杂浓度、禁带宽度、载流子迁移率等物理性质都不同，这些都会影响内建电势的大小。
硅（Si）的内建电势： 对于普通的硅基PN结，在室温下（大约25°C），其内建电势大约在0.7V到0.8V之间。因此，我们常说硅PN结的导通电压是0.7V，这是一个近似值。更精确地说，电流会随着电压的增加而逐渐增大，0.7V是电流开始变得显著的那个点。
锗（Ge）的内建电势： 锗的禁带宽度比硅窄，其内建电势比硅低，大约在0.2V到0.3V之间。所以锗二极管的导通电压也就在这个范围。
砷化镓（GaAs）等化合物半导体： 这些材料的导通电压会更高，可能达到1V以上，具体取决于材料的类型和掺杂。

影响导通电压的其他因素：

除了材料本身，还有一些因素会影响我们观察到的导通电压：

1. 温度： 温度升高会降低内建电势，使得PN结更容易导通。所以，二极管的导通电压会随着温度的升高而降低（通常每升高1°C，硅二极管的导通电压下降约2mV）。这就是为什么0.7V是“室温”下的近似值。
2. 掺杂浓度： 更高的掺杂浓度会导致更宽的耗尽区和更高的内建电势，理论上会使得导通电压略微升高。但通常来说，这不如材料本身的影响大。
3. 电流密度： 严格来说，导通电压是与流过的电流大小相关的。随着电流的增大，电压也会随之增大。我们通常提到的导通电压是指在某个特定（通常是很小）的测试电流下的值。
4. PN结的结构和设计： 比如齐纳二极管（Zener Diode）的设计就利用了齐纳击穿效应，它的“导通电压”（更准确地说是击穿电压）可能比普通二极管高得多，并且在反向偏压下工作。普通二极管也存在反向击穿现象，但那通常不是我们所说的导通。

总结一下：

所以，虽然0.7V是一个非常普遍且实用的参考值，特指了硅基PN结在室温下当电流开始显著流过时的电压。但要记住，任何PN结的导通电压都不是固定不变的0.7V。它取决于：

材料本身（硅、锗、砷化镓等）。
工作温度。
流过的电流大小。

理解了这些，你就明白为什么在设计电路时，工程师们会考虑到二极管的这些特性，而不是想当然地认为所有二极管的导通电压都是一样的。希望这个详细的解释对你有帮助！

网友意见

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这其实不是典型的 “模电”问题， 而是“半导体物理”的基础问题。



PN结通常在掺杂浓度上是高度不对称的。高度不对称的结被称为单边结，要么是 “N+ P”结，要么是“P+ N”结，其中N+和P+表示重掺杂的一边。耗尽层主要渗透到较轻掺杂的一侧，重掺杂材料中耗尽层的宽度通常可以忽略不计。把重度掺杂的半导体想象成类似于金属（而金属中没有耗尽层）可能会帮助理解。

PN结可以通过向P型衬底植入或扩散供体来制造，从而使一层半导体转化为N型。用受体将N型半导体层转换成P型，也会产生一个PN结。

PN结具有整流的电流-电压（I-V或IV）特性。




       .model 1N914 D(Is=2.52n Rs=.568 N=1.752 Cjo=4p M=.4 tt=20n Iave=200m Vpk=75 mfg=OnSemi type=silicon) .model 1N4148 D(Is=2.52n Rs=.568 N=1.752 Cjo=4p M=.4 tt=20n Iave=200m Vpk=75 mfg=OnSemi type=silicon)  .model 1N5817 D(Is=31.7u Rs=.051 N=1.373 Cjo=190p M=.3 Eg=.69 Xti=2 Iave=1 Vpk=20 mfg=OnSemi type=Schottky) .model 1N5818 D(Is=31.7u Rs=.051 N=1.373 Cjo=160p M=.38 Eg=.69 Xti=2 Iave=1 Vpk=30 mfg=OnSemi type=Schottky) .model 1N5819 D(Is=31.7u Rs=.051 N=1.373 Cjo=110p M=.35 Eg=.69 Xti=2 Iave=1 Vpk=40 mfg=OnSemi type=Schottky)  .model BAT54 D(Is=.1u Rs=2.2 N=1 Cjo=12p M=.3 Eg=.69 Xti=2 Iave=300m Vpk=30 mfg=Vishay type=Schottky)     


       .model 2N2369   NPN(Is=44.14f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=100 Bf=78.32 Ne=1.389 Ise=91.95f Ikf=.3498 Xtb=1.5 Br=12.69m Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=.6 Cjc=2.83p + Mjc=86.19m Vjc=.75 Fc=.5 Cje=4.5p Mje=.2418 Vje=.75 Tr=1.073u Tf=227.6p Itf=.3 Vtf=4 Xtf=4 Rb=10 Vceo=15 Icrating=200m mfg=NXP)   .model 2N3055   NPN(Bf=73 Br=2.66 Rb=.81 Rc=.0856 Re=.000856 +  CJC=1000P PC=.75 MC=.33  Tr=.5703U Is=2.37E-8 +  CJE=415P PE=.75 ME=.5 TF=99.52N NE=1.26 IK=1 Vceo=60 Icrating=10 mfg=STMicro)



作为一个宏观元器件，PN结称“整流器”或“二极管”。

PN结是太阳能电池、发光二极管和二极管激光器的基本结构，并存在于绝大部分的晶体管中。此外，PN结是研究耗尽层理论、准平衡边界条件、连续性方程以及其他对理解晶体管而言很重要的工具和概念的载体。













顺便说个笑话：


马原大课点名的时候，

老师叫道：“能带图同学，能带图同学，有没有来上课？ ”


一个纤巧的女学生起立，朗声回应：

“老师， 我叫熊带图， 不叫能带图。”




更多阅读和实践：

肖特基接触

       https://cn.comsol.com/model/schottky-contact-16367



【未完待续】



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分材料, 锗0.2, 硅0.7, 肖特基0.2, 老式红/绿发光二极管1.8, 白光/蓝光发光二极管2.6~3.0

用万用表的二极管档自己测一下就知道了, 一般二极管档显示的就是导通压降, 偏流应该在1mA左右.

有些万用表的二极管档电压量程不够, 发光二极管点不亮. 这种情况可以用两个万用表一起测, 一个用200欧档, 作为电流源, 另一个万用表用电压档测量即可.

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