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  • pn结是p(加了三价元素),n(加了五价元素),当结合成pn结时,因为p,n之间的粒子浓度不同,下面一起来学习一下
  • 电子政务-利用PN结反向电流温度特性实现高温关断的控制电路.zip
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  • PN结原理和对三极管反向偏置能导通的思考

    千次阅读 多人点赞 2019-11-25 23:02:15
    目录前言本征半导体本征激发复合杂质半导体N型半导体P型半导体PN结PN结的形成PN结的正向偏置PN结反向偏置二极管三极管三极管的放大状态结论 前言 最近看完PN结和三极管的科普视频,有一件事没想通。对于NPN型...

    前言

    最近看完PN结和三极管的科普视频,有一件事没想通。对于NPN型三极管,工作在放大状态时,发射结正偏,集电结反偏。那么问题来了,集电结反偏时,为什么还会产生集电结->发射结的电流?

    为了搞清楚这个问题,在网上查了一些资料,并综合自己的理解写下了这篇博客,以备自己以后查阅,同时分享给有同样疑问的人,如果有理解不到位的地方,欢迎指正。

    本征半导体

    本征半导体(intrinsic semiconductor)是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。主要常见代表有硅、锗这两种元素的单晶体结构。

    硅原子最外层有4个电子,为了达到最外层8个电子的稳定结构,每个硅原子与相邻的硅原子共享它们最外层的4个电子,组成共价键。处于稳定结构的原子不可自由移动。img1

    本征激发

    一般来说,半导体中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强,如果能从外界获得一定的能量(如光照、温升、电磁场激发等),一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为近似自由的电子(同时产生出一个空穴),这就是本征激发。这是一种热学本征激发,所需要的平均能量就是禁带宽度。

    本征激发还有其它一些形式。如果是光照使得价电子获得足够的能量、挣脱共价键而成为自由电子,这是光学本征激发(竖直跃迁);这种本征激发所需要的平均能量要大于热学本征激发的能量——禁带宽度。如果是电场加速作用使得价电子受到高能量电子的碰撞、发生电离而成为自由电子,这是碰撞电离本征激发;这种本征激发所需要的平均能量大约为禁带宽度的1.5倍。

    价电子通过本征激发成为一个自由电子后形成一个带正电的空位,称为空穴(hole),导带中的电子和价带中的空穴合称为电子-空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动,成为自由载流子(free carrier),它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流,分别称为电子导电和空穴导电。在本征半导体中,这两种载流子的浓度是相等的。随着温度的升高,其浓度基本上是按指数规律增长的。

    img2

    复合

    导带中的电子会落入空穴,使电子-空穴对消失,称为复合(recombination)。复合时产生的能量以电磁辐射(发射光子photon)或晶格热振动(发射声子phonon)的形式释放。在一定温度下,电子-空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡,此时本征半导体具有一定的载流子浓度,从而具有一定的电导率。加热或光照会使半导体发生热激发或光激发,从而产生更多的电子-空穴对,这时载流子浓度增加,电导率增加。半导体热敏电阻和光敏电阻等半导体器件就是根据此原理制成的。常温下本征半导体的电导率较小,载流子浓度对温度变化敏感,所以很难对半导体特性进行控制,因此实际应用不多。

    杂质半导体

    在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体(电子半导体),使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体(空穴半导体)。

    N型半导体

    在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,磷原子的最外层有五个价电子,其中四个与相邻的半导体原子形成共价键,必定多出一个电子,这个电子几乎不受束缚,很容易被激发而成为自由电子,这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子,称为施主原子。

    在N型半导体中,自由电子的浓度远大于空穴的浓度,因此自由电子称为多数载流子(简称多子),而其中空穴称为少数载流子(简称少子)。N型半导体主要靠自由电子导电,掺入的杂质越多,自由电子的浓度就越高,导电性能也就越强。

    image3

    P型半导体

    在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,如硼(或铟),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,硼原子的最外层有三个价电子,与相邻的半导体原子形成共价键时,产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补,使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子,所以称为受主原子。

    在P型半导体中,空穴的浓度远大于自由电子的浓度,因此空穴称为多数载流子(简称多子),而其中自由电子称为少数载流子(简称少子)。P型半导体主要靠空穴导电,掺入的杂质越多,空穴的浓度就越高,导电性能也就越强。

    img4

    在杂质半导体中,多数载流子的浓度由掺入的杂质浓度决定;少数载流子的浓度主要取决于温度的影响。对于杂质半导体来说,无论是N型还是P型半导体,从总体上看,仍然保持着电中性。

    PN结

    上一节说到杂质半导体分为N型半导体和P型半导体,它们的成分如下:

    • N型半导体包含:自由电子(属于多子,少数由本征激发而来,多数由磷原子提供)、空穴(属于少子,由本征激发而来)、带正电的阳离子(不能移动,磷原子失去一个电子后形成),自由电子数量 = 空穴数量 + 阳离子数量,整体呈现电中性。

    • P型半导体包含:自由电子(属于少子,由本征激发而来)、空穴(属于多子,少数由本征激发而来,多数由硼原子提供)、带负电的阴离子(不能移动,硼原子空穴得到一个电子后形成),自由电子数量 + 阴离子数量 = 空穴数量,整体呈现电中性。

    PN结的形成

    PN结是由一个N型半导体和一个P型半导体紧密接触所构成的,其接触界面称为冶金结界面。

    在一块完整的硅片上,用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体,另一边形成P型半导体,我们称两种半导体的交界面附近的区域为PN结。

    在P型半导体和N型半导体结合后,由于交界处出现自由电子和空穴浓度差的原因,有一些电子从N型区向P型区扩散,也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。电子和空穴相向扩散时相遇,从而进行复合,电子-空穴对消失。

    它们扩散的结果就使P区一边失去空穴,留下了带负电的杂质离子,N区一边失去电子,留下了带正电的杂质离子。这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近,形成了一个空间电荷区。

    在空间电荷区形成后,由于正负电荷之间的相互作用,在空间电荷区形成了内电场,其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。显然,这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反,阻止多子扩散。

    另一方面,这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移,使P区的少数载流子电子向N区漂移,漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴,从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子,这就使空间电荷减少,内电场减弱。因此,漂移运动的结果是使空间电荷区变窄,扩散运动加强。

    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。

    image5

    PN结的正向偏置

    PN结P极接正,N极接负,这就是所谓的正向偏置,很显然正向偏置时外电场与内电场方向相反,正向偏置将加强多子的扩散运动,阻止少子的漂移运动。

    PN结的反向偏置

    PN结P极接负,N极接正,这就是所谓的反向偏置,反向偏置时外电场与内电场方向相同,反向偏置将加强少子的漂移运动,阻止多子的扩散运动。

    二极管

    二极管就是由一个PN结组成,正向偏置时多子参与导电,所以电流很大;反向偏置时少子参与导电,所以电流很小(漏电流)。

    三极管

    三极管由两个背靠背的PN结组成,可以是NPN组合,也可以是PNP组合。三极管有三个区:

    • 集电区C:集电区与发射区为同一性质的掺杂半导体,但集电区的掺杂浓度要低,面积要大,便于收集电子。

    • 基区B:基区尺度很薄:3~30μm,掺杂浓度低。

    • 发射区E:发射区高掺杂,为了便于发射结发射电子,发射区半导体掺浓度高于基区的掺杂浓度,且发射结的面积较小。

    image6

    三极管有三种工作状态:

    • 截止状态

    • 放大状态

    • 饱和导通

    三极管的放大状态

    以NPN型三极管为例,当发射结正向偏置并导通,集电结反向偏置时,三极管工作于放大状态,发射极电流Ie=基极电流Ib + 集电极电流Ic。

    结论

    前面铺垫了那么多,终于进入今天的主题了,三极管处于放大状态时,发射结处于正向偏置,这时候发射结导通,产生基极到发射极的电流Ib,这一步没问题,正向偏置导通是PN结的特性。那么集电结反向偏置时,为什么还会有大量电流通过呢?这不是有违PN结特性吗?

    个人理解是这样的:发射结正偏时,由多子扩散运动参与导电,大量E区的电子(多子)扩散进入B区,进入B区的电子一小部分流过B极产生电流Ib。

    此时由于集电结为反偏,集电结外部电场与内部电场一致,并且由集电区C指向基区B,强大的电场将进入B区的电子吸引进集电区C,从而形成电流Ic。

    所以对于二极管和三极管来说,同样是反向偏置,二极管不能导通,三极管集电结却可以导通的原因就是二极管P区只有少量的电子可以飘移到N区,从而形成漏电流;三极管基区(NPN的P型半导体)却被注入了大量的电子,这些电子飘移到集电区(NPN的N型半导体)从而形成大电流Ic。


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  • 二极管知识总结 与 pn结变窄变宽的原因 1. 价电子: 每一个原子可的电特性以分成3部分, 或称为三层轨道: (1) 原子核: 例如铜原子有29个质子,带29个正电荷 (2) 内层轨道: 接近原子核的电子,铜原子有28个,原子核对...

    二极管知识总结 与 pn结变窄变宽的原因

    1. 价电子:

    每一个原子可依照电特性以分成3部分, 或称为三层轨道:
    (1) 原子核: 例如铜原子有29个质子,带29个正电荷
    (2) 内层轨道: 接近原子核的电子,铜原子有28个,原子核对这些电子的吸引力很强,当我们把内层轨道和质子视为一体时,铜原子就是+1的净电荷
    (3) 价带轨道: 最外层的轨道, 原子核对轨道上的电子吸引力最弱, 这就是自由电子的来源, 在这个轨道上的电子称为价电子, 铜原子有1个价电子

     

    2. 价电子与导电性:

    良导体有1个价电子, 绝缘体有8个价电子, 半导体(硅)有4个价电子. 铜有1个价电子,可以称为1价原子

     

    3. 共价键:

    当几个原子结合在一起形成晶体, 相邻原子之间会各自有电子的轨道和对方相交,就是将两个原子稳定在一起的关键, 这些电子称为共价键 , 晶体的共价键数量,就是中心原子的价电子数,加上与其相邻的原子的数量.

    以硅晶体为例, 是由一个硅原子(中心原子)和4个围绕在其四个方向的硅原子组成,总共5个原子, 围绕中心原子边上的四个原子互不相邻, 所以共价键的个数就是中心原子的4个价电子加上四个硅原子各贡献1个=4+4*1=8个

     

    4. 价带饱和与空穴:
    当共价键的数量达到8时, 如上述的硅晶体, 称为价带饱和, 此时这8个电子称为束缚电子,因为它们被中心原子紧紧束缚住了.  对于价带不饱和的晶体,会对外呈现较强的电子吸引力, 使其达到价带饱和. 对于共价键超过8个的晶体, 会对外排出一个电子, 这也是自由电子的来源之一. 平衡状态的共价键数量=8, 无论价带是否饱和, 因为质子的正电荷数量等于电子数, 所以都是呈现电中性的. 但是价带不饱和的晶体会从其他原子那里偷一个电子来,导致那个原子呈现正电荷, 这就是空穴的来源,所以总结而言, 价电子超过8的晶体,会贡献一个自由电子,价带不饱和的晶体会从其他原子那里吸引一个电子来, 间接贡献了一个空穴

     

    5. 空穴的含义:
    电子离开价带轨道的时候, 就空出一个位置, 称之为空穴, 所以自由电子和空穴是同时存在的, 只是比例的问题, 在纯净半导体(本征半导体) 里, 比例是1:1, 在杂质半导体里,如果是N阶半导体, 自由电子多于空穴, 此时称自由电子为多子(多数载流子),空穴为少子, 在P型半导体则相反. 自由电子和空穴都是带电荷的, 所以都是载流子.

     

    6. 本征半导体:
    纯净的硅(4价半导体), 本征激发同时产生一个自由电子和一个空穴, 呈现电中性. 再次结合称为本征复合.

     

    7. N型半导体:
    纯净硅添加5阶半导体, 4个硅原子和一个5价半导体(磷) 作为中心原子, 在此简称磷硅结合体, 共价键的数量=5+4*1=9 >8 , 会释放出一个自由电子. 所以自由电子(多子)多于空穴(少子)

     

    8. P型半导体
    纯净硅添加3价半导体(硼), 4个硅原子和一个3价半导体(硼) 作为中心原子, 在此简称硼硅结合体, 共价键的数量=3+4*1=7<8, 会吸引电子以达到价带饱和. 空穴(多子)多于自由电子(少子)

     

    在本文中的二极管, P型区在左侧, N型区在右侧

     

    9. 扩散运动:
    当自由电子从浓度高的地方移动到浓度低的地方,称为扩散运动, N型半导体的自由电子浓度P型的高, 自由电子从二极管的右边(N型)往左边(P型)移动称为扩散运动, 形成的电流称为扩散电流, 由于N型里自由电子是多子, 所以漂移电流的自由电子量很大.  扩散运动与浓度差有关系,故当P型里的浓度提升后, 提升电压并不会显著提升电流量. 由于运动的自由电子在这里是多子,所以扩散运动又称为多子扩散.

     

    10. 漂移运动:
    在电场力的作用下, 自由电子的运动称为漂移运动, 在二极管中, P在左侧, N在右侧, PN结形成的电场力会让自由电子往右移, 自由电子从二极管的左边(P型)往右边(N型)移动称为漂移运动,形成的电流称为漂移电流, 由于P型里自由电子是少子, 所以漂移电流的自由电子量很少.   漂移运动与电场力有关系,但由于P型的自由电子是少子, 所以电场力的提升不能立即提升电流量. 由于运动的自由电子在这里是少子,所以漂移运动又称为少子漂移.

    但是如果反向电压很强(大于50v), 则这些少量的自由电子运动速度就会非常快(电压高动能强,然而搬运动能的自由电子很少,只能加快速度搬运), 然后这些自由电子就有足够的能量打击其它价电子, 使其成为自由电子, 这些新生成的自由电子又会打击更多的价电子,所以自由电子的数量会爆炸式的增长,称为雪崩效应, 电流就会呈现指数级的增长, 称为击穿,一般而言如果击穿的电压是50v,工作电压会限制在25v,击穿不一定表示二极管永久损坏,如果电压没有超过二极管的额定功率,二极管可以恢复

     

    11. 半导体的电流与单边导电性:
    半导体的电流就是扩散电流和漂移电流的合, 由于扩散电流的自由电子是多子, 故导电性强, 漂移电流的电子是少子,故导电性很差,电流很小, PN结的载流子很少, 当正向偏置时(电池正极接到P区), 电流来源是多子扩散,pn结变窄,导电性高, 反向偏置时,电流来源是少子漂移,同时pn结变宽,导电性很差, 这就形成了二极管的单边导电性.

     

    12. PN结, 耗尽层, 空间电荷区
    这里我们想象N型半导体里有一个硅原子和一个磷硅结合体,P型半导体里有一个硅原子和一个硼硅结合体.

    在N型半导体里, 当一个磷硅结合体(共价键=9)惨入纯净硅(共价键=8) 时,会释放一个自由电子,此时磷硅结合体为正电荷,N型半导体整体呈现电中性.

    在P型半导体里, 当一个硼硅结合体(共价键=7)惨入纯净硅(共价键=8) 时,会从旁边的硅原子吸引一个自由电子,此时这个硅原子带正电荷(也就是一个空穴), 硼硅结合体带负电荷,P型半导体整体呈现电中性.

    磷硅结合体(正电荷)和硼硅结合体(负电荷) 呈现稳定的状,因为其电子为共价键(束缚电子), 该区域的电性主要取决于其周围的自由电子和带正电荷的硅原子数量.

    当上述的P型和N型结合时,在结合处的右侧(N型)有一个自由电子,左侧(P型)有一个带正电荷的硅原子(空穴), 这个自由电子就去和硅原子结合, 也就是扩散运动. 结合后, N型半导体就不是电中性了,是带正电荷. 而P型半导体是带负电荷. 这就形成了一个电场 (二极管的内电场),在结区附近的正负离子对称为对偶极子, 对偶极子的增加意味着载流子(自由电子和空穴)的减少, 所以称此区域为耗尽层, 又称为空间电荷区或PN结.

    为漂移运动创造了条件. 而漂移运动中的自由电子,是从P型向N型运动的,刚好与扩散运动方向相反.这个区域称为势垒区, 其电荷量随着电压而增加,与电容相同, 故又称势垒电容, 硅二极管在25度C时的势垒为0.7v.
     
    实际情况是P型和N型结合的附近发生上述情况, 这个区域称为PN结, 或是耗尽层(自由电子耗尽了), 空间电荷区(因为这个区域不再是电中性了,是有电荷的). 而在PN结的右侧, 也就是其余N型半导体的区域,还是有自由电子的. PN结的左侧, 也就是其余P型半导体的区域,还是有很多空穴的.

    由于扩散运动(自由电子由N型向P型),和漂移运动(自由电子由P型向N型)是方向相反的力量, 刚开始的时候,并没有耗尽层, 只有扩散运动, 耗尽层形成后有了漂移运动, 当两个力量平衡后(移动的电子数相同时), 耗尽层停止增长,实现动态平衡.

    在PN结的区域, 载流子(自由电子和空穴)是很少的, 所以PN结区域电阻大,

     

    13. PN半导体结合前后的示意图:
    左侧是P型半导体,右侧是N型半导体, 这里用硼硅结合体和磷硅结合体代表惨入的杂质:


    (1) 结合前
    电性来看:
    电中性 =>(PN交界处)=> 电中性

    形态上来看:
    正电荷的硅原子(空穴) + 电中性硅原子+ 带负电荷的硼硅结合体=>

    (PN交界处)=>

    自由电子 + 电中性硅原子 + 带正电荷的磷硅结合体

     

    (2) 结合后
    电性来看:
    电中性 =>负电荷 =>(PN交界处)=> 正电荷 =>电中性

    形态上来看:
    正电荷的硅原子(空穴) + 电中性硅原子+ 带负电荷的硼硅结合体=>

    电中性的硅原子 + 带负电荷的硼硅结合体=>

    (PN交界处)=>

    电中性的硅原子 + 带正电荷的磷硅结合体 =>

    自由电子 + 电中性硅原子 + 带正电荷的磷硅结合体

    备注: 蓝色字体的部分就是PN结. 可以看出PN结的地区,其实就是正电荷的硅原子(空穴) 和自由电子互相结合的区域, 可以说是空穴和自由电子耗尽的区域, 所以称为耗尽层

     

    14. 耗尽层的增大缩小
    正向偏置就是电源正极连接P区,负极连接N区, 电流方向和内电场相反. 反向偏置就是电源正极连接N区,负极连接P区, 电流方向和内电场相同.

    正向偏置减少PN结, 反向偏置增大PN结的原因, 国内的教程基本说的都是,因为内建电场变化, 反向偏置电场方向与内电场相同, 内电场增强, 所以PN结就大了.....不能说不对,但好像是在描述结果, 而不是解释原因.

    灯塔国艾伯特.马尔维诺 Albert Malvino写的电子电路原理(李冬梅译) 里面对此有较为详细的说明. 这里就直接引用:

    "由于电池负极吸引空穴, 正极吸引自由电子, 所以自由电子和空穴会从pn结附近流走,使得耗尽层变宽. " "当空穴和自由电子从结中向外移动时,新产生的离子使耗尽层的电势差增加,耗尽层越宽电势差就越大.当电势差与外加反向电压相同时,耗尽层就不再变宽了, 这时电子和空穴不再从结中向外移动"

    至于正向偏置,Albert Malvino的其中一段描述是:
    "当直流电压源的电压大于势垒电压时, 自由电子拥有足够的能量通过耗尽层并与空穴复合. 可以想象p区所有空穴向右移动,n区所有自由电子向左移动,这些极性相反的电荷在结附近相遇并复合.由于自由电子不断地进入二极管右端, 空穴也在二极管的左端不断产生, 因此二极管中有持续的电流流过"

    以上就是原文, 原文并没有明确的写出PN结变小的过程,不过可以整理下, 因为p区接上电池正极,所以自由电子向左侧移动,空穴向右侧移动(原文说的p区所有空穴向右移动,n区所有自由电子向左移动),比较之前的图 :

    正电荷的硅原子(空穴)和带负电荷的硼硅结合体=>(pn结的左侧)=>电中性的硅原子和带负电荷的硼硅结合体=>(PN交界处)=> 电中性的硅原子和带正电荷的磷硅结合体 => (pn结的右侧)=>自由电子和带正电荷的磷硅结合体

    可以理解,p区所有空穴向右移动,n区所有自由电子向左,会导致PN结的边界变窄, 并最终导致了内电场变小.

    最后可以总结下:

    正向偏置和反向偏置对pn结变宽变窄的影响,主要是因为接电后,对多子的影响,也就是对p区空穴和n区自由电子的影响,少子因为数量太少, 他们的力量会被抵消掉,所以可以忽略, 如果将多子推向pn结, 就会导致pn结变窄 (因为pn结区其实就是自由电子和空穴耗尽的区域) , 相反的, 如果将多子拉离开结区, 就扩大了pn结的宽度.

     

     

     

    展开全文
  •  在VF作用下,通过PN结电流称为正向电流IF。外加正向电压的电路如图所示。  2、外加反向电压  当PN结外加反向电压时,外电场与内电场的方向相同,内电场变强,结果使空间电荷区(PN结)变宽, 同时空间电荷...
  • PN结

    千次阅读 2019-06-07 16:10:44
    PN结反向偏置:高阻态,近似于截止状态 PN结电流方程: UT:等效电压——>KT/q Is:反向饱和电流 阳极为P区,阴极为N区 PN结的电容效应 : (1) 势垒电容CB :(耗尽层宽窄变化)(反偏) (2) 扩散电容CD 扩散...

    一直不太能理解PN结问题,今天学习了来做一做总结。

    PN结正向偏置:低阻状态,导通状态
    在这里插入图片描述
    PN结反向偏置:高阻态,近似于截止状态
    在这里插入图片描述
    PN结电流方程:
    在这里插入图片描述
    UT:等效电压——>KT/q
    Is:反向饱和电流
    阳极为P区,阴极为N区
    在这里插入图片描述
    PN结的电容效应 :
    (1) 势垒电容CB :(耗尽层宽窄变化)(反偏)
    (2) 扩散电容CD
    在这里插入图片描述
    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。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。

    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
    在这里插入图片描述

    展开全文
  • 二极管是由PN结组成的,即P型半导体和N型半导体,因此PN结的特性导致了二极管的单向导电特性。PN结如下图所示: 在P型和N型半导体的交界面附近,由于N区的自由电子浓度大,于是带负电荷的自由电子会由N区向电子...
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    (PN结学习思维导图)

          在看接下来的内容之前,我们先看看本文的思维导图。首先对PN结的定义及原理进行分析。了解原理之后,来分析学习它的特征,有了原理特征当然是要应用了。

    • PN结的定义是什么?

    对于PN结的定义,首先我们看下来自于百度百科的内容: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为PN结(英语:PN junction)。

    是不是有点晦涩?学习就是要逐渐理解那些晦涩的定义,好了进入主题。我们首先拿出来一块硅(锗)片(本征半导体),灵光一闪我们就在这个硅片上确定一块区域,细致的我们打算用刀片去除这区域表面的二氧化硅层,因为他会阻挡我们掺入杂质(P型和N型杂质即杂质半导体),想了想刀片太粗鲁了,于是我们使用腐蚀(fǔ shí)剂。去除表面的二氧化硅之后在1000摄氏度的高温下,将其放在P(N)型杂质气体中,气体中的杂质就会向硅片上扩散形成了P型半导体,使用同样的方法掺杂另外一种杂质。在掺杂完成之后,在P型半导体和N型半导体之间,成的一块区域就是我们所说的PN结。

    (图片来源于网络)

    • PN结的原理是什么?
    1. 掺杂半导体是什么?

    P型半导体

    在硅晶体中掺杂少量硼元素(或铟元素)(即我们之前提到的在PN结只制作过程中所掺杂的杂质气体),称为P型半导体,

    N型半导体

    在硅晶体中掺杂少量磷元素(或锑元素)(即我们之前提到的在PN结只制作过程中所掺杂的杂质气体),称为P型半导体,

    1. PN结是怎样形成的?

    什么是空穴?什么是多子什么是少子?什么是施主原子?什么是受主原子?

    在P型半导体中,硼原子的最外面有三个电子,而硅原子外部有4个电子,当硼掺杂入硅中以后就会形成三个共价键,但是硼有4个电子却少了一个电子来形成共价键。比如有两个班级一个是彭老师的班级,另一个是硅老师的班级,我们简称硼班和硅班,现在硼班3个同学没有座位,硅班可以给硼班4个座位,但是分配完多出了一个位置,这个空出来的座位就被称为空穴。这时候多出来的这个座位(空穴)就被称为多子,多出座位缺少了学生(电子),所以这个学生就被称为少子。这里的硅班是把自己座位给了硼班,所以硅被称为施主原子,硼被称为受主原子。

    在N型半导体中,磷原子最外面有5个电子,而硅原子外部有4个电子,当磷掺杂入硅中以后就会形成4个共价键,但是磷原子多出了一个电子。好比现在我们让磷班和硅班合并,硅班还是需要四个学生来组合同桌,但是磷班给了5个同学,组合完同桌之后,发现多出来一个同学在那站着也没有座位。这时候多出来的这个同学(自由电子)就被称为多子,缺少的座位(空穴)被称为少子。这里的磷班是把自己的学生给了硅班,所以硼老师也被称为施主原子(硼原子),硅班被称为受主原子(硅原子)

              下面我们就可以说PN结是怎样形成的了,N区和P区挨的很近。N区域自由电子多空穴少,P区域空穴多自由电子少。这时候交界处N区的自由电子就会像P区扩散,而P区的空穴会向N区扩散,在交界处就形成了空间电荷区。这时候N区少了自由电子,本来平衡的电中性就会被打破,而带正电,而P区域少了空穴因此带负电,这时就会产生一个内电场,即从N到P的正向电压,我们知道之前电子是从N像P扩散的,但是现在正向电压也是从N向P,所以势必会阻止自由电子向P扩散(规定自由电子的流动方向与电压方向相反)。阻止的过程N的空穴流向P,P的自由电子流向N,这样内电场减小,之前的扩散运动又加强了,反反复复最终达到平衡。

     
     

    (图片来源于网络)

    • PN结的特征是什么?
    1. 概述

    PN结稳定之后,要想实现电流的流动必须外部施加电压,打破内部的平衡,从而达到目的。

    1. PN结的反向击穿性是什么?

    在N端接正向电压,P端接负极,这样电压从N到P与内电场的方向一致,内电场增强,自由电子不断向N区域流动,空间电荷区不断变宽,如果不做限流处理最终将导致无法承受大量的自由电子涌入最终PN结烧毁。

    1. PN结的单向导电性是什么?

    当P接正N接负时,内电场减小,空间电荷区由于自由电子不断从N向P扩散,空穴从P向N扩散变窄,最终自由电子进入P区不断流出,空穴进入N区不断流出,即导通。反之,如果N正P负,空间电荷区越来越大,越大N的自由电子和P的空穴越相互扩散,而由于外部施加了电压内电场也在增大,两个方向的电流相互对抗,不分彼此时不能导通,一旦外部电流过大就反向击穿了PN结。

    1. PN结的伏安特性是什么?

    伏安特性的表达式为:

     
     

     

    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。中pn结,其is值则更小.

    当vd>;>;0,且vd>vt时,;

    当vd<0,且时,id≈–is≈0。

    由此可看出pn结的单向导电性

    1. PN结的电容特性是什么?

    两个相互靠近的导体,中间夹一层不导电的绝缘介质,这就构成了电容器。当加反电压时P区、空间电荷区、N区就形成了一个电容器。施加电压的大小会影响空间电荷区的宽窄,因此电压的大小会影响电容的大小。

    • PN结有什么应用?

    利用单向导电性,我们可以作为防止电流反向流动使用,因为反向电压击穿后电压不变所以做稳压二极管使用,根据电容特性可以做变容二极管使用。

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