PN結(jié)的形成及特性

1、3.2 PN結(jié)的形成及特性,P是指的P型半導(dǎo)體，N指的是N型半導(dǎo)體，當(dāng)一塊純凈的半導(dǎo)體一半摻雜為N型，一半摻雜為P型，那么在兩個(gè)區(qū)域之間就形成了一個(gè)PN結(jié)（結(jié)是指的N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的交接的介面上），首先看一下PN結(jié)是怎么形成的？ 在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造了P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體. P型半導(dǎo)體的多子是什么？ 空穴 N型半導(dǎo)體的多子是什么？ 自由電子. 如果把他們接到一塊，在他們的介面上就會(huì)存在截流子的濃度差，如果存在濃度差，就會(huì)形成一系列的結(jié)果,3.2.1 載流子的漂移與擴(kuò)散,N,以N型半導(dǎo)體為基片,通過(guò)半導(dǎo)體擴(kuò)散工藝,使半導(dǎo)體的一邊形成N型區(qū)，另一邊形成P型區(qū),左邊是P型半導(dǎo)體，右

2、邊是N型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體里面還畫(huà)出了它的少子（自由電子）（一個(gè)小點(diǎn)），N型半導(dǎo)體里面也畫(huà)出了它的少子（空穴）（一個(gè)小圓圈,P 型半導(dǎo)體,N 型半導(dǎo)體,少子(自由電子,少子(空穴,N區(qū)有許多自由電子（多數(shù)載流子）和幾個(gè)由于熱產(chǎn)生的空穴（少數(shù)載流子），而P區(qū)有許多空穴（多數(shù)載流子）和幾個(gè)由于熱產(chǎn)生的自由電子（少數(shù)電子）。PN結(jié)構(gòu)成了基本的二極管。二極管是只允許電流往一個(gè)方向流動(dòng)的元件,P 型半導(dǎo)體,N 型半導(dǎo)體,少子(自由電子,少子(空穴,1) 在濃度差的作用下，電子從 N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散,2) 在濃度差的作用下，空穴從 P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散,在濃度差的作用下，兩邊多子互相擴(kuò)散。由于他們的量比較大，我們稱(chēng)

3、作多子在進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),空間電荷層,擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬,形成內(nèi)電場(chǎng),內(nèi)電場(chǎng)(E)方向,一旦擴(kuò)散以后，在它的介面上，就剩下了正離子和負(fù)離子，這時(shí)候就存形成一個(gè)電場(chǎng).方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。這個(gè)電場(chǎng)是在內(nèi)部形成的，稱(chēng)為內(nèi)電場(chǎng)E,電場(chǎng)的的方向是從正離子往負(fù)離子走。電場(chǎng)的作用就會(huì)促進(jìn)少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)，自由電子從低電位往髙電位走，空穴是從髙電位往底電位走，由于少子的運(yùn)動(dòng)很弱(數(shù)量很少)，少子的運(yùn)動(dòng)叫做漂移運(yùn)動(dòng),內(nèi)電場(chǎng)會(huì)促進(jìn)少子的漂移運(yùn)動(dòng)，也抑制了多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，雖然少子的量很少，隨著漂移的增強(qiáng)，而擴(kuò)散是越來(lái)越弱，最終會(huì)達(dá)到一種平衡。此時(shí)我們?cè)谶@個(gè)空間就相當(dāng)于有這么一個(gè)結(jié)，這個(gè)結(jié)

4、不是面，是一段寬度，這段寬度就叫做PN結(jié),內(nèi)電場(chǎng)(E)方向,3.2.2 PN 結(jié)的形成,PN結(jié)一方面阻礙多子的擴(kuò)散，另一方面加速少子的漂移,P 型半導(dǎo)體,N 型半導(dǎo)體,擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬,內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄,因?yàn)樵赑N結(jié)上只剩下了正負(fù)離子(正負(fù)電荷)，也可以稱(chēng)作空間電荷區(qū) .N區(qū)中的導(dǎo)電電子為了進(jìn)入P區(qū)，必須克服正離子的吸引和負(fù)離子的排斥力。在粒子層建立后，PN結(jié)內(nèi)的區(qū)域?qū)嶋H上已經(jīng)耗盡了導(dǎo)電電子和空穴，所以PN結(jié)也稱(chēng)作是耗盡層,空間電荷層,在P區(qū)和N區(qū)交界面上，留下了一層不能移動(dòng)的正、負(fù)離子。在介面上自由電子和空穴就結(jié)合了,形成電位勢(shì)壘,電場(chǎng)的的方向

5、是從髙電位往底電位走，就是從正離子往負(fù)離子走，于是N區(qū)一邊的電位高于P區(qū)一邊，如圖所示,當(dāng)擴(kuò)散與漂移作用平衡時(shí),a. 流過(guò)PN結(jié)的凈電流為零,b. PN結(jié)的厚度一定（約幾個(gè)微米,c. 接觸電位一定（約零點(diǎn)幾伏,PN結(jié)形成過(guò)程動(dòng)畫(huà)演示,擴(kuò)散使PN結(jié)變寬，使它的內(nèi)電場(chǎng)變強(qiáng)，而漂移的作用又使空間電荷區(qū)變薄，最終PN結(jié)穩(wěn)定在一定的寬度. P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體一結(jié)合，在交界面上形成了穩(wěn)定的電層，我們利用PN結(jié)的這個(gè)特性了解它是如何具備單向?qū)щ娦?. 還要利用這個(gè)特性設(shè)計(jì)制造二極管和三極管,1.空間電荷區(qū)中沒(méi)有載流子。只剩下正負(fù)離子,2.空間電荷區(qū)由于存在內(nèi)電場(chǎng)，內(nèi)電場(chǎng)阻礙P區(qū)中的空穴(多子)運(yùn)動(dòng).由于

6、多子很多我們稱(chēng)作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。促進(jìn)了少子的漂移運(yùn)動(dòng).,3.P 區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小,小結(jié),4.隨著內(nèi)電場(chǎng)的增強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)越來(lái)越緩慢，此時(shí)它就達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡,一個(gè)PN結(jié)就是一個(gè)二極管，在平衡狀態(tài)下，PN結(jié)中沒(méi)有電流。PN結(jié)最重要的特性是單向?qū)щ娞匦?實(shí)驗(yàn)：PN結(jié)的導(dǎo)電性。按如下方式進(jìn)行PN結(jié)導(dǎo)電性的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)镻N結(jié)加上封裝外殼和電極引線就是二極管，所以拿一個(gè)二極管來(lái)當(dāng)成PN結(jié)。P區(qū)為正極；N區(qū)為負(fù)極。對(duì)于圖示的實(shí)驗(yàn)電路,二極管正向連接,二極管反向連接,3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?仿真P,此時(shí)發(fā)光二極管發(fā)光，說(shuō)明PN結(jié)導(dǎo)電,若P區(qū)的電位高于N區(qū)，電

7、流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大,PN結(jié)正向偏置 當(dāng)外加直流電壓使PN結(jié)P型半導(dǎo)體的一端的電位高于N型半導(dǎo)體一端的電位時(shí)（也就是允許電流流過(guò)PN結(jié)的條件），稱(chēng)PN結(jié)正向偏置，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏,注：偏置就是指加在半導(dǎo)體元件上設(shè)置其工作條件的固定直流電壓,PN結(jié)正向偏置,當(dāng)直流電源將二極管正向偏置后，由于靜電場(chǎng)的作用，電源的負(fù)端將N區(qū)中的導(dǎo)電電子推向PN結(jié)，而電源的正端也將P區(qū)中的空穴推向PN結(jié),當(dāng)外加的偏置電壓足以克服勢(shì)壘電位時(shí)，電子就有足夠的能量進(jìn)入耗盡層并越過(guò)PN結(jié)。與P區(qū)中空穴復(fù)合。當(dāng)這些電子離開(kāi)N區(qū)后，會(huì)有更多的電子從電源的負(fù)端流出,因此，導(dǎo)電電子（多數(shù)載流子）朝著PN結(jié)方向的移動(dòng)產(chǎn)

8、生了N區(qū)的電流。這些導(dǎo)電電子進(jìn)入P區(qū)后與空穴復(fù)合，變成價(jià)電子。然后，價(jià)電子會(huì)一個(gè)一個(gè)空穴地向陽(yáng)極方向移動(dòng),價(jià)電子的移動(dòng)實(shí)際上產(chǎn)生了空穴反方向的移動(dòng)。所以P區(qū)中電流是由空穴（多數(shù)載流子）朝著PN結(jié)方向移動(dòng)產(chǎn)生的,PN結(jié)正偏動(dòng)畫(huà)演示,外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng),耗盡層變窄,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng),多子擴(kuò)散形成正向電流I F,PN結(jié)內(nèi)的電流由起支配地位的擴(kuò)散電流決定，稱(chēng)為正向電流,此時(shí)發(fā)光二極管不發(fā)光，說(shuō)明PN結(jié)不導(dǎo)電。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明PN結(jié)（二極管）具有單向?qū)щ娦?若P區(qū)的電位低于N區(qū)，電流從N區(qū)流到P區(qū)，PN結(jié)呈高阻性，所以電流小,PN結(jié)反向偏置 當(dāng)外加直流電壓使PN結(jié)N型半導(dǎo)體的一端的電位高于P型半導(dǎo)體一端的電位

9、時(shí)（阻止電流流過(guò)PN結(jié)的偏置條件），稱(chēng)PN結(jié)反向偏置，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏,仿真P,2PN結(jié)反向偏置,PN結(jié)變寬,2PN結(jié)反向偏置,反向偏置是阻止電流流過(guò)PN結(jié)的偏置條件,由于異性電荷相互吸引，電源的負(fù)端吸引P區(qū)中的空穴，而電源的正端吸引N區(qū)中的電子，使空穴和電子均遠(yuǎn)離PN結(jié),因此，耗盡層變寬，N區(qū)中的正離子和P區(qū)中的負(fù)離子增加，直到兩邊的勢(shì)壘差等于外加偏置電壓。因此，當(dāng)二極管反相偏置時(shí)，耗盡層相當(dāng)于兩個(gè)反相的帶電離子層之間的絕緣體,內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng),PN結(jié)變寬,PN結(jié)呈現(xiàn)高阻、截止?fàn)顟B(tài),不利多子擴(kuò)散 有利少子漂移,2PN結(jié)反向偏置,外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)耗盡層變寬漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)少子漂移形成反向電流,因少子濃度主要

10、與溫度有關(guān)，此電流稱(chēng)為反向飽和電流。有時(shí)候稱(chēng)作漏電流。這個(gè)漏電流的多少基本上是由本征激發(fā)所決定的,PN結(jié)反偏動(dòng)畫(huà)演示,由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。演示A02204,按電容的定義,即電壓變化將引起電荷變化, 從而反映出電容效應(yīng)。由于二極管的兩個(gè)極靠的就是PN結(jié)，所以極間電容也稱(chēng)作結(jié)電容，而結(jié)兩端加上電壓, 結(jié)內(nèi)就有電荷的變化, 說(shuō)明結(jié)具有電容效應(yīng)。結(jié)極間電容主要具有是兩部分兩種電容： 一部分稱(chēng)作勢(shì)壘電容，一個(gè)叫做擴(kuò)散電容,3.2.5

11、PN結(jié)的電容效應(yīng),1.勢(shì)壘電容CB,勢(shì)壘電容：當(dāng)外加電壓發(fā)生改變了，PN結(jié)的寬度也要相應(yīng)發(fā)生改變， PN結(jié)中里面的正負(fù)電荷數(shù)量要隨之而改變，電荷的改變就好像是電容在充、放電。這顯示出來(lái)就是一種電容效應(yīng)，把這種電容效應(yīng)就稱(chēng)作是勢(shì)壘電容。 勢(shì)壘區(qū)就是積累空間電荷的區(qū)域，也就是PN結(jié)，當(dāng)外界電壓發(fā)生變化時(shí)候，PN結(jié)中的電荷量發(fā)生變化，表現(xiàn)出來(lái)的電容就是勢(shì)壘電容。用B表示。理論推導(dǎo),阻擋層內(nèi)電荷量隨外加電壓變化,勢(shì)壘電容是由阻擋層內(nèi)空間電荷引起的?？臻g電荷區(qū)是由不能移動(dòng)的正負(fù)雜質(zhì)離子所形成的,均具有一定的電荷量, 所以在結(jié)儲(chǔ)存了一定的電荷, 當(dāng)外加電壓使阻擋層變寬時(shí), 電荷量增加, 如圖所示,勢(shì)壘電容

12、和外加電壓的關(guān)系,B,2擴(kuò)散電容CD,P區(qū)中電子濃度的分布曲線及電荷的積累圖,當(dāng)PN結(jié)加正向電壓時(shí),N區(qū)的電子擴(kuò)散到P區(qū),同時(shí)P區(qū)的空穴也向N區(qū)擴(kuò)散。顯然,在PN區(qū)交界處(x),載流子的濃度最高。 由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),離交界處愈遠(yuǎn),載流子濃度愈低,這些擴(kuò)散的載流子在擴(kuò)散區(qū)積累了電荷,總的電荷量相當(dāng)于圖111中曲線以下的部分(圖1-11表示了P區(qū)電子p的分布,擴(kuò)散電容是PN結(jié)在正向電壓時(shí), 多數(shù)載流子在擴(kuò)散過(guò)程中引起電荷積累而產(chǎn)生的,若PN結(jié)正向電壓加大, 則多數(shù)載流子擴(kuò)散加強(qiáng),電荷積累由曲線1變?yōu)榍€2,電荷增加量為Q； 反之, 若正向電壓減少, 則積累的電荷將減少。 這就是擴(kuò)散電容效應(yīng)CD, 擴(kuò)散電容正比于正向電流, 即CDI。所以PN結(jié)的結(jié)電容C包括兩部分, 即CjCC。 一般說(shuō)來(lái), PN結(jié)正偏時(shí), 擴(kuò)散電容起主要作用, ； 當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí), 勢(shì)壘電容起主要作用, 即,P區(qū)中電子濃度的分布曲線及電荷的積