當(dāng)前位置:首頁 > 百科知識(shí) > 電子工程 > 正文

PN結(jié)

采用不同的摻雜工藝,通過擴(kuò)散作用,將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體(通常是硅或鍺)基片上,在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱PN結(jié)。

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。P是positive的縮寫,N是negative的縮寫,表明正荷子與負(fù)荷子起作用的特點(diǎn)。   一塊單晶半導(dǎo)體中 ,一部分摻有受主雜質(zhì)是P型半導(dǎo)體,另一部分摻有施主雜質(zhì)是N型半導(dǎo)體時(shí) ,P 型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面附近的過渡區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)有同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)兩種。用同一種半導(dǎo)體材料制成的 PN 結(jié)叫同質(zhì)結(jié) ,由禁帶寬度不同的兩種半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)叫異質(zhì)結(jié)。制造PN結(jié)的方法有合金法、擴(kuò)散法、離子注入法和外延生長法等。制造異質(zhì)結(jié)通常采用外延生長法。   P型半導(dǎo)體(P指positive,帶正電的):由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的三價(jià)元素組成,會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)部形成帶正電的空穴; N型半導(dǎo)體(N指negative,帶負(fù)電的):由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的五價(jià)元素組成,會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)部形成帶負(fù)電的自由電子。   在 P 型半導(dǎo)體中有許多帶正電荷的空穴和帶負(fù)電荷的電離雜質(zhì)。在電場的作用下,空穴是可以移動(dòng)的,而電離雜質(zhì)(離子)是固定不動(dòng)的 。N 型半導(dǎo)體中有許多可動(dòng)的負(fù)電子和固定的正離子。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體接觸時(shí),在界面附近空穴從P型半導(dǎo)體向N型半導(dǎo)體擴(kuò)散,電子從N型半導(dǎo)體向P型半導(dǎo)體擴(kuò)散??昭ê碗娮酉嘤龆鴱?fù)合,載流子消失。因此在界面附近的結(jié)區(qū)中有一段距離缺少載流子,卻有分布在空間的帶電的固定離子,稱為空間電荷區(qū) 。P 型半導(dǎo)體一邊的空間電荷是負(fù)離子 ,N 型半導(dǎo)體一邊的空間電荷是正離子。正負(fù)離子在界面附近產(chǎn)生電場,這電場阻止載流子進(jìn)一步擴(kuò)散 ,達(dá)到平衡。   在PN結(jié)上外加一電壓 ,如果P型一邊接正極 ,N型一邊接負(fù)極,電流便從P型一邊流向N型一邊,空穴和電子都向界面運(yùn)動(dòng),使空間電荷區(qū)變窄,電流可以順利通過。如果N型一邊接外加電壓的正極,P型一邊接負(fù)極,則空穴和電子都向遠(yuǎn)離界面的方向運(yùn)動(dòng),使空間電荷區(qū)變寬,電流不能流過。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?  PN結(jié)加反向電壓時(shí) ,空間電荷區(qū)變寬 , 區(qū)中電場增強(qiáng)。反向電壓增大到一定程度時(shí),反向電流將突然增大。如果外電路不能限制電流,則電流會(huì)大到將PN結(jié)燒毀。反向電流突然增大時(shí)的電壓稱擊穿電壓?;镜膿舸C(jī)構(gòu)有兩種,即隧道擊穿(也叫齊納擊穿)和雪崩擊穿,前者擊穿電壓小于6V,有負(fù)的溫度系數(shù),后者擊穿電壓大于6V,有正的溫度系數(shù)。 PN結(jié)加反向電壓時(shí),空間電荷區(qū)中的正負(fù)電荷構(gòu)成一個(gè)電容性的器件。它的電容量隨外加電壓改變。   根據(jù)PN結(jié)的材料、摻雜分布、幾何結(jié)構(gòu)和偏置條件的不同,利用其基本特性可以制造多種功能的晶體二極管。如利用PN結(jié)單向?qū)щ娦钥梢灾谱髡鞫O管、檢波二極管和開關(guān)二極管,利用擊穿特性制作穩(wěn)壓二極管和雪崩二極管;利用高摻雜PN結(jié)隧道效應(yīng)制作隧道二極管;利用結(jié)電容隨外電壓變化效應(yīng)制作變?nèi)荻O管。使半導(dǎo)體的光電效應(yīng)與PN結(jié)相結(jié)合還可以制作多種光電器件。如利用前向偏置異質(zhì)結(jié)的載流子注入與復(fù)合可以制造半導(dǎo)體激光二極管與半導(dǎo)體發(fā)光二極管;利用光輻射對(duì)PN結(jié)反向電流的調(diào)制作用可以制成光電探測器;利用光生伏特效應(yīng)可制成太陽電池。此外,利用兩個(gè)   PN結(jié)之間的相互作用可以產(chǎn)生放大,振蕩等多種電子功能 。PN結(jié)是構(gòu)成雙極型晶體管和場效應(yīng)晶體管的核心,是現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)。在二級(jí)管中廣泛應(yīng)用。   PN結(jié)的平衡態(tài),是指PN結(jié)內(nèi)的溫度均勻、穩(wěn)定,沒有外加電場、外加磁場、光照和輻射等外界因素的作用,宏觀上達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài).   
 

PN結(jié)的形成

在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:   因濃度差    多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng);由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)  空間電荷區(qū)形成形成內(nèi)電場     內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散   最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè),留下離子薄層,這個(gè)離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場方向由N區(qū)指向P區(qū)。在空間電荷區(qū),由于缺少多子,所以也稱耗盡層。

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/h2>

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?,若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū),PN結(jié)呈低阻性,所以電流大;反之是高阻性,電流小。 如果外加電壓使:PN結(jié)P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位稱為加正向電壓,簡稱正偏;   PN結(jié)P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位稱為加反向電壓,簡稱反偏。(1) PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況   PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況。外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū),方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反,削弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱,擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流,可忽略漂移電流的影響,PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。 PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況,如打不開點(diǎn)這兒(壓縮后的)   (2) PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況   PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖01.08所示。外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū),方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同,加強(qiáng)了內(nèi)電場。內(nèi)電場對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng),擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流,可忽略擴(kuò)散電流,PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。   在一定的溫度條件下,由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的,故少子形成的漂移電流是恒定的,基本上與所加反向電壓的大小無關(guān),這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。   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娦浴?/p>

PN結(jié)的電容效應(yīng)

PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng),它由兩方面的因素決定。一是勢壘電容CB ,二是擴(kuò)散電容CD 。   (1) 勢壘電容CB 勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí),離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變,這相當(dāng)PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化,猶如電容的充放電。勢壘電容的示意圖見圖01.09。   圖01.09 勢壘電容示意圖   (2) 擴(kuò)散電容CD   擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后,在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí),由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子,與外電源提供的空穴相復(fù)合,形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近,形成一定的多子濃度梯度分布曲線。反之,由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴,在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴(kuò)散電容的示意圖如圖01.10所示。   當(dāng)外加正向電壓不同時(shí),擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同,這就相當(dāng)電容的充放電過程。勢壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。

PN結(jié)的擊穿特性:

當(dāng)反向電壓增大到一定值時(shí),PN結(jié)的反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增 加,這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的擊穿,反向電流急劇增加時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓,如上圖所示, PN結(jié)的反向擊穿有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種。
 

1、雪崩擊穿  

阻擋層中的載流子漂移速度隨內(nèi)部電場的增強(qiáng)而相應(yīng)加快到一定程度時(shí),其動(dòng)能足以把束縛在共價(jià)鍵中的價(jià)電子碰撞出來,產(chǎn)生自由電 子—空穴對(duì)新產(chǎn)生的載流子在強(qiáng)電場作用下,再去碰撞其它中性原子,又產(chǎn)生新的自由電子—空穴對(duì),如此連鎖反應(yīng),使阻擋層中的載流子數(shù)量急   劇增加,象雪崩一樣。雪崩擊穿發(fā)生在摻雜濃度較低的PN結(jié)中,阻擋層寬,碰撞電離的機(jī)會(huì)較多,雪崩擊穿的擊穿電壓高。
 

2、齊納擊穿
 

當(dāng)PN結(jié)兩邊摻雜濃度很高時(shí),阻擋層很薄,不易產(chǎn)生碰撞電離,但當(dāng)加不大的反向電壓時(shí),阻擋層中的電場很強(qiáng),足以把中性原子中的價(jià)電子直接從共價(jià)鍵中拉出來,產(chǎn)生新的自由電子—空穴對(duì),這個(gè)過程 稱為場致激發(fā)。   一般擊穿電壓在6V以下是齊納擊穿,在6V以上是雪崩擊穿。
 

3、擊穿電壓的溫度特性
 

溫度升高后,晶格振動(dòng)加劇,致使載流子運(yùn)動(dòng)的平 均自由路程縮短,碰撞前動(dòng)能減小,必須加大反向電壓才能發(fā)生雪崩擊穿具有正的溫度系數(shù),但溫度升高,共價(jià)鍵中的價(jià)電子能量狀態(tài)高,從而齊納擊穿電壓隨溫度升高而降低,具有負(fù)的溫度系數(shù)。6V左右兩種擊穿將會(huì)同時(shí)發(fā)生,擊穿   電壓的溫度系數(shù)趨于零。
 

4、穩(wěn)壓二極管
 

PN結(jié)一旦擊穿后,盡管反向電流急劇變化,但其端電壓幾 乎不變(近似為V(BR),只要限制它的反向電流,PN結(jié) 就不會(huì)燒壞,利用這一特性可制成穩(wěn)壓二極管,其電路符號(hào)及伏   安特性如上圖所示:其主要參數(shù)有: VZ 、 Izmin 、 Iz 、 Izmax   電壓才能發(fā)生雪崩擊穿具有正的溫度系數(shù),但溫度升高,共價(jià)鍵中的價(jià)電子能量狀態(tài)高,從而齊納擊穿電壓隨溫度升高而降 低,具有負(fù)的溫度系數(shù)。6V左右兩種擊穿將會(huì)同時(shí)發(fā)生,擊穿電壓的溫度系數(shù)趨于零。

PN結(jié)的電容特性:

PN結(jié)除具有非線性電阻特性外,還具有非線性電容特性,主要有勢壘電容和擴(kuò)散電容。
 

1、勢壘電容
 

勢壘區(qū)類似平板電容器,其交界兩側(cè)存儲(chǔ)著數(shù)值相等極性相反的離子電荷,電荷量隨外加電壓而變化,稱為勢壘電容,用CT表示。   CT = - dQ/dV   PN結(jié)有突變結(jié)和緩變結(jié),現(xiàn)考慮突變結(jié)情況(緩變結(jié)參見《晶體管原 理》),PN結(jié)相當(dāng)于平板電容器,雖然外加電場會(huì)使勢壘區(qū)變寬或變窄 但這個(gè)變化比較小可以忽略,   則CT=εS/L,已知?jiǎng)討B(tài)平衡下阻擋層的寬度L0,代入上式可得:   CT不是恒值,而是隨V而變化,利用該特性可制作變?nèi)荻O管。
 

2、 擴(kuò)散電容
 

多子在擴(kuò)散過程中越過PN結(jié)成為另一方的少子, 當(dāng)PN結(jié)處于 平衡狀態(tài)(無外加電壓)時(shí)的少子稱為平衡少子 可以認(rèn)為阻擋層以外的區(qū)域內(nèi)平衡少子濃度各處是一樣的,當(dāng)PN結(jié)處于正向偏置時(shí),N區(qū)的多子自由電子擴(kuò)散到P區(qū)成為 P區(qū)的非平衡少子,由于濃度差異還會(huì)向P 區(qū)深處擴(kuò)散,距交界面越遠(yuǎn),非平衡少子濃度越低,其分布曲線見[PN 結(jié)的伏 安特性]。當(dāng)外加正向電壓增大時(shí),濃度分布曲線上移,兩邊 非平 衡少子濃度增加即電荷量增加,為了維持電中性,中性區(qū)內(nèi)的非平衡多子濃度也相應(yīng)增加,這就是說,當(dāng)外加電壓增加時(shí),P區(qū)和N區(qū)各自存儲(chǔ)的空穴和自由電子電荷量也增加,這種效應(yīng)相當(dāng)于在PN結(jié)上并聯(lián)一個(gè)電容,由于它是載流子擴(kuò)散引起的,故稱之為擴(kuò)散電容CD,由半導(dǎo)體物理推導(dǎo)得 CD=( I + Is)τp/VT 推導(dǎo)過程參見《晶體管原理》。   當(dāng)外加反向電壓時(shí) I = Is , CD趨于零。
 

3、 PN結(jié)電容
 

PN結(jié)的總電容Cj為CT和CD兩者之和Cj = CT+CD ,外加正向電 壓CD很大, Cj以擴(kuò)散電容為主(幾十pF到幾千pF) ,外加反向電壓CD趨于零,Cj以勢壘電容為主(幾pF到幾十pF到)。
 

4、變?nèi)荻O管
 

PN結(jié)反偏時(shí),反向電流很小,近似開路,因此是一個(gè)主要由勢壘電容構(gòu)成的較理想的電容器件,且其增量電容值隨外加電壓而變化 利用該特性可制作變?nèi)荻O管,變?nèi)荻O管在非線性電路中應(yīng)用較廣泛, 如壓控振蕩器、頻率調(diào)制等。


內(nèi)容來自百科網(wǎng)