PN结的形成.pptx

1.2 PN结1.2.1 1.2.1 PN结的形成结的形成 将一块P型半导体和N型半导体紧密连接在一起，这种紧密连接不能有缝隙，是一种原子半径尺度上的紧密连接。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程。N型半导体中的多子电子的浓度远大于P型半导体中少子电子的浓度；P型半导体中多子空穴的浓度远大于N型半导体中少子空穴的浓度。于是在两种半导体的界面上会因载流子的浓度差发生了扩散运动，见左图。图中兰色小圆为多子电子；红色小圆为多子空穴。扩散电流 随着扩散运动的进行，在界面N区的一侧，随着电子向P区的扩散，杂质变成正离子；在界面P区的一侧，随着空穴向N区的扩散，杂质变成负离子。杂质在晶格中是不能移动的，所以在N型和P型半导体界面的N型区一侧会形成正离子薄层；在P型区一侧会形成负离子薄层。这种离子薄层会形成一个电场，方向是从N区指向P区，称为内电场，见左上图。内电场的出现及内电场的方向会对扩散运动产生阻碍作用，限制了扩散运动的进一步发展。在半导体中还存在少子，内电场的电场力会对少子产生作用，促使少数载流子产生漂移运动。内电场内电场漂移电流 漂移电流的方向正好与扩散电流的方向相反，扩散运动越强，内电场越强，对扩散运动的阻碍就越强；内电场越强，理应漂移电流就越大。因少数载流子的浓度与温度有关，在一定的温度条件下，少数载流子的浓度一定，所以漂移电流的大小就一定，不会随内电场加大而继续加大。从而在某个温度条件下，扩散和漂移会达到动态平衡，扩散电流和漂移电流相等。内电场扩散电流漂移电流扩散电流漂移电流可以用下列箭头来描述这一过程 因浓度差 形成多子的扩散运动 杂质离子形成空间电荷区 我们称从N区指向P区的内电场为PN结。因为离子薄层中的多数载流子已经扩散尽了，缺少多子，所以这个离子薄层也称为耗尽层。所以PN结有许多别名，离子薄层、空间电荷区、耗尽层、内电场等等。以上PN结的形成过程可以通过动画进一步学习。动画1-3空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 达到动态平衡1.2.2 1.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性PN结最重要的特性是单向导电特性，先看如下实验。实验：PN结的导电性。按如下方式进行PN结导电性的实验，因为PN结加上封装外壳和电极引线就是二极管，所以拿一个二极管来当成PN结。P区为正极；N区为负极。对于图示的实验电路，（表示二极管负极的黑色圆环在右侧。此时发光二极管导通而发光。电源正极二极管负极黑色圆环标记在右侧发光二极管发光 此时发光二极管不发光，说明PN结不导电。这个实验说明PN结（二极管）具有单向导电性。将PN结左右翻转180，二极管负极接电源正极，黑色标记在左侧。发光二极管熄灭 PN结具有单向导电性，若P区的电位高于N区，电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；若P区的电位低于N区，电流从N区流到P区，PN结呈高阻性，所以电流小。如果外加电压使：PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正向电压，简称正偏正偏；PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反向电压，简称反偏反偏。下面对PN结的单向导电性进行解释。1.2.2.1 PN结加正向电压时的导电情况 PN结加正向电压时的导电情况如图所示。外电场 外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多数载流子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。内电场内电场IF1.2.2.2 PN结加反向电压时的导电情况 PN结加反向电压时的导电情况如图所示。外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。内电场IS外电场 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流 IS。动画1-4内电场