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PN结(PN junction)
采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用,将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性。P是positive的缩写,N是negative的缩写,表明正荷子与负荷子起作用的特点。
一块单晶半导体中 ,一部分掺有受主杂质是P型半导体,另一部分掺有施主杂质是N型半导体时 ,P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。PN结有同质结和异质结两种。用同一种 半导体材料制成的 PN 结叫同质结 ,由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法。
P型半导体(P指positive,带正电的):由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成,会在半导体内部形成带正电的 空穴;
N型半导体(N指negative,带负电的):由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成,会在半导体内部形成带负电的自由电子。
在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下,空穴是可以移动的,而电离杂质(离子)是固定不动的 。N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时,在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散,电子从N型半导体向P型半导体扩 散。空穴和电子相遇而复合,载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子,却有分布在空间的带电的固定离子,称为空间电荷区 。P 型半导体一边的空间电荷是负离子 ,N 型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场,这电场阻止载流子进一步扩散 ,达到平衡。 在PN结上外加一电压 ,如果P型一边接正极 ,N型一边接负极,电流便从P型一边流向N型一边,空穴和电子都向界面运动,使空间电荷区变窄,电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极,P型一 边接负极,则空穴和电子都向远离界面的方向运动,使空间电荷区变宽,电流不能流过。这就是PN结的单向导电性。
基本的击穿机构有两种,即隧道击穿(也叫齐纳击穿)和雪崩击穿,前者击穿电压小于6V,有负的温度系数,后者击穿电压大于6V,有正的温度系数。 PN结加反向电压时,空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变。 根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同,利用其基本特性可以制造多种功能的 晶体二极管。利用 光生伏特效应可制成 太阳电池。
PN结的形成
在一块 本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。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: 因浓度差多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧,留下离子薄层,这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。
本征半导体(intrinsic semiconductor)):完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。但实际半导体不能绝对的纯净,此类半导体称为 杂质半导体。本征半导体一般是指其导电能力主要由材料的 本征激发决定的纯净半导体。更通俗地讲,完全纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体或I型半导体。主要常见代表有硅、锗这两种元素的单晶体结构。
pn结的工作原理
1.2.1 PN结的形成
在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。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: 因浓度差 ↓ 多子的扩散运动?由杂质离子形成空间电荷区 ↓ 空间电荷区形成形成内电场 ↓ ↓ 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧,留下离子薄层,这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。PN结形成的过程可参阅图01.06。
图01.06 PN结的形成过程
1.2.2 PN结的单向导电性 PN结具有单向导电性,若外加电压使电流从P区流到N区,PN结呈低阻性,所以电
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