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PN结的形成与特性介绍
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半导体材料展厅
硅, 硒粉, 碲, 镓, ...
PN结的定义:

在一块本征半导体中,掺以不同的杂质,使其一边成为P型,另一边成为N型,在P区和N区的交界面处就形成了一个PN结。

PN结的形成

(1)当P型半导体和N型半导体结合在一起时,由于交界面处存在载流子浓度的差异,这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。但是,电子和空穴都是带电的,它们扩散的结果就使P区和N区中原来的电中性条件破坏了。P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子,N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷,它们集中在P区和N区交界面附近,形成了一个很薄的空间电荷区,这就是我们所说的PN结,如图1所示。

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(2)在这个区域内,多数载流子或已扩散到对方,或被对方扩散过来的多数载流子(到了本区域后即成为少数载流子了)复合掉了,即多数载流子被消耗尽了,所以又称此区域为耗尽层,它的电阻率很高,为高电阻区。

(3)P区一侧呈现负电荷,N区一侧呈现正电荷,因此空间电荷区出现了方向由N区指向P区的电场,由于这个电场是载流子扩散运动形成的,而不是外加电压形成的,故称为内电场,如图2所示。

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(4)内电场是由多子的扩散运动引起的,伴随着它的建立将带来两种影响:一是内电场将阻碍多子的扩散,二是P区和N区的少子一旦靠近PN结,便在内电场的作用下漂移到对方,使空间电荷区变窄。

(5)因此,扩散运动使空间电荷区加宽,内电场增强,有利于少子的漂移而不利于多子的扩散;而漂移运动使空间电荷区变窄,内电场减弱,有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时,交界面形成稳定的空间电荷区,即PN结处于动态平衡。PN结的宽度一般为0.5um。

PN结的单向导电性

PN结在未加外加电压时,扩散运动与漂移运动处于动态平衡,通过PN结的电流为零。

(1)外加正向电压(正偏)

电源正极接P区,负极接N区时,称为给pN结加正向电压或正向偏置,如图3所示。由于PN结是高阻区,而P区和N区的电阻很小,所以正向电压几乎全部加在PN结两端。在PN结上产生一个外电场,其方向与内电场相反,在它的推动下,N区的电子要向左边扩散,并与原来空间电荷区的正离子中和,使空间电荷区变窄。同样,P区的空穴也要向右边扩散,并与原来空间电荷区的负离子中和,使空间电荷区变窄。结果使内电场减弱,破坏了PN结原有的动态平衡。于是扩散运动超过了漂移运动,扩散又继续进行。与此同时,电源不断向P区补充正电荷,向N区补充负电荷,结果在电路中形成了较大的正向电流IF。而且IF随着正向电压的增大而增大。

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(2)外加反向电压(反偏)

当电源正极接N区、负极接P区时,称为给PN结加反向电压或反向偏置。反向电压产生的外加电场的方向与内电场的方向相同,使PN结内电场加强,它把P区的多子(空穴)和N区的多子(自由电子)从PN结附近拉走,使PN结进一步加宽,PN结的电阻增大,打破了PN结原来的平衡,在电场作用下的漂移运动大于扩散运动。这时通过PN结的电流,主要是少子形成的漂移电流,称为反向电流IR。由于在常温下,少数载流子的数量不多,故反向电流很小,而且当外加电压在一定范围内变化时,它几乎不随外加电压的变化而变化,因此反向电流又称为反向饱和电流。当反向电流可以忽略时,就可认为PN结处于截止状态。值得注意的是,由于本征激发随温度的升高而加剧,导致电子一空穴对增多,因而反向电流将随温度的升高而成倍增长。反向电流是造成电路噪声的主要原因之一,因此,在设计电路时,必须考虑温度补偿问题。

综上所述,PN结正偏时,正向电流较大,相当于PN结导通,反偏时,反向电流很小,相当于PN结截止。这就是PN结的单向导电性。

PN结的伏安特性

伏安特性曲线:加在PN结两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线称为伏安特性曲线,如图4所示。u>0的部分称为正向特性,u<0的部分称为反向特性。它直观形象地表示了PN结的单向导电性。

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式中iD——通过PN结的电流
vD——PN结两端的外加电压
VT——温度的电压当量,VT=kT/q=T/11600=0.026V,其中k为波耳兹曼常数(1.38×10–23J/K),T为热力学温度,即绝对温度(300K),q为电子电荷(1.6×10–19C)。在常温下,VT≈26mV。
e——自然对数的底
Is——反向饱和电流,对于分立器件,其典型值为10-8~10-14A的范围内。集成电路中二极管PN结,其Is值则更小.

由此可看出PN结的单向导电性。

PN结的击穿特性

当PN结上加的反向电压增大到一定数值时,反向电流突然剧增,这种现象称为PN结的反向击穿。PN结出现击穿时的反向电压称为反向击穿电压,用VB表示。反向击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿两类。

(1)雪崩击穿

当反向电压较高时,结内电场很强,使得在结内作漂移运动的少数载流子获得很大的动能。当它与结内原子发生直接碰撞时,将原子电离,产生新的"电子一空穴对"。这些新的"电子一空穴对",又被强电场加速再去碰撞其它原子,产生更多的"电子一空穴对"。如此链锁反应,使结内载流子数目剧增,并在反向电压作用下作漂移运动,形成很大的反向电流。这种击穿称为雪崩击穿。显然雪崩击穿的物理本质是碰撞电离。

(2)齐纳击穿

齐纳击穿通常发生在掺杂浓度很高的PN结内。由于掺杂浓度很高,PN结很窄,这样即使施加较小的反向电压(5V以下),结层中的电场却很强(可达左右)。在强电场作用下,会强行促使PN结内原子的价电子从共价键中拉出来,形成"电子一空穴对",从而产生大量的载流子。它们在反向电压的作用下,形成很大的反向电流,出现了击穿。显然,齐纳击穿的物理本质是场致电离。采取适当的掺杂工艺,将硅PN结的雪崩击穿电压可控制在8~1000V。而齐纳击穿电压低于5V。在5~8V之间两种击穿可能同时发生。

PN结的电容效应

PN结具有一定的电容效应,它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB,二是扩散电容CD。

(1)势垒电容CB

势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时,离子薄层的厚度也相应地随之改变,这相当PN结中存储的电荷量也随之变化,犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图5。

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(2)扩散电容CD

扩散电容是由多子扩散后,在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时,由N区扩散到P区的电子,与外电源提供的空穴相复合,形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近,形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之,由P区扩散到N区的空穴,在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图01.10所示。

当外加正向电压不同时,扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同,这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。

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(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (1/25/2007)
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