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  • pn结工作原理

    万次阅读 2014-02-22 09:35:19
    pn结工作原理 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 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...

     pn结工作原理 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

    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(动画1-3)如打不开点这儿(压缩后的)

    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,所以电流大;反之是高阻性,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,简称反偏。 

    (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01.07所示。 

        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。


    图01.07 PN结加正向电压时的导电情况(动画1-4),如打不开点这儿(压缩后的) 

    (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01.08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。 

        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。 

    PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流;PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论:PN结具有单向导电性。 

    图01.08 PN结加反向电压时的导电情况(动画1-5),如打不开点这儿(压缩后的) 

    1.2.3 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01.09。 

      
    图01.09 势垒电容示意图 

     

    (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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    PN结的形成

    如果把一块本征半导体的两边掺入不同的元素,使一边为P型,另一边为N型,则在两部分的接触面就会形成一个特殊的薄层,称为PN结。PN结是构成二极管、三极管及可控硅等许多半导体器件的基础。


    如下图所示是一块两边掺入不同元素的半导体。由于P型区和N型区两边的载流子性质及浓度均不相同,P型区的空穴浓度大,而N型区的电子浓度大,于是在交界面处产生了扩散运动。P型区的空穴向N型区扩散,因失去空穴而带负电;而N型区的电子向P型区扩散,因失去电子而带正电,这样在P区和N区的交界处形成了一个电场(称为内电场)。

    PN结载流子的扩散运动


    PN结内电场的方向由N区指向P区,如下图所示。

    在内电场的作用下,电子将从P区向N区作漂移运动,空穴则从N区向P区作漂移运动。经过一段时间后,扩散运动与漂移运动达到一种相对平衡状态,在交界处形成了一定厚度的空间电荷区叫做PN结,也叫阻挡层,势垒。

    PN结内电场的建立


    PN结的工作原理

    如果将PN结加正向电压,即P区接正极,N区接负极,如右图所示。由于外加电压的电场方向和PN结内电场方向相反。在外电场的作用下,内电场将会被削弱,使得阻挡层变窄,扩散运动因此增强。这样多数载流子将在外电场力的驱动下源源不断地通过PN结,形成较大的扩散电流,称为正向电流。

    PN结上加正向电压

    由此可见PN结正向导电时,其电阻是很小的


    如果PN结加反向电压,如右图所示,此时,由于外加电场的方向与内电场一致,增强了内电场,多数载流子扩散运动减弱,没有正向电流通过PN结,只有少数载流子的漂移运动形成了反向电流。由于少数载流子为数很少,故反向电流是很微弱的。

    加反向电压时PN结变宽,反向电流很小

    因此,PN结在反向电压下,其电阻是很大的


    由以上分析可以得知:

    PN结通过正向电压时可以导电,常称为导通;而加反向电压时不导电,常称为截止。这说明:PN结具有单向导电性




    转载于:https://my.oschina.net/qkmc/blog/656240

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    请先看这个回答,理解一下什么是能带和载流子,半导体的导电性是怎么来的。

    导带、价带、禁带、允带都是什么逻辑关系? - 知乎

    然后再解释PN结。

    首先假设我们有一块同一种单晶硅制成的P型半导体和N型半导体,他们的导带和禁带能级是一样的,唯一的区别是掺杂能级的位置:

     

    由于掺杂能级的不同,P型半导体和N型半导体具有不同的电子分布和费米能级。纯粹的P型半导体,费米能级位于价带与掺杂能级之间;N型半导体费米能级位于导带与掺杂能级之间。这很容易理解,因为费米能级可以认为是半导体处于绝对零度时电子所处的最高能级,而绝对零度时的电子又是从低往高依次填充的。

     

    当PN结形成的时候,P型半导体和N型半导体直接接触。之前曾经讲过热平衡时同一块半导体材料会具有统一的费米能级,所以当PN结形成时,半导体的能带会发生弯曲,使得P型和N型半导体的费米能级能够统一。

    而能带是怎样弯曲的呢?首先我们考虑离PN结距离很远的地方,这里远在PN结电场的影响范围之外,显然能带应该是平直的,就像纯粹的P型或N型半导体一样。由于费米能级统一,所以P型半导体相对于N型半导体能带被抬升了:

     

    中间的部分,就是PN结,能带被弯曲之后把P型能带和N型能带连接在一起。但是能带为什么会弯曲?具体又是怎么弯曲的?这就要从电场和载流子运动的角度来解释。

    首先,载流子会发生扩散运动,从浓度高的区域往浓度低的区域运动。这是因为载流子一直在发生随机的热运动,而因为高浓度区域载流子更多,统计上从高浓度区域运动到低浓度区域的概率更大。所以在PN结附近,电子会往P型半导体扩散,空穴会往N型半导体扩散,扩散运动的速度正比于载流子的浓度梯度。

    我们知道自由电子遇到空穴时会发生复合,而PN结一侧几乎只有电子,另一侧几乎只有空穴,所以电子和空穴会在PN结上大量复合,导致PN结两侧载流子浓度下降。而载流子浓度下降会使得半导体带电,这是因为N型半导体的电子来源于掺杂能级上的电子跃迁到导带,而掺杂能级失去电子之后变成了带正电的离子,PN结处的复合是N型半导体的电子与P型半导体价带中的空穴复合,相当于N型半导体失去了电子,P型半导体获得了电子,这就使得P型半导体带负电,N型半导体带正电。很快,PN结附近的载流子就全部复合了,此时这一区域只剩下了不能移动的带电离子,这一区域就被称为空间电荷区,也就是势垒区

    突变型PN结的电荷分布、电场分布与电势分布

    由于N型带正电,P型带负电,就形成了一个由N指向P的电场,这个电场使得电子从P向N,空穴从N向P发生漂移运动。然而前面提到扩散运动和这个漂移运动的方向正好相反,当两个运动的速率相同时,扩散运动和漂移运动互相抵消,PN结的载流子分布就处于稳定状态。

    现在我们就能计算空间电荷区的电场是怎样弯曲能带的了。由于空间电荷区的电荷来源于电离之后的掺杂原子,可以认为空间电荷区的电荷密度就等于掺杂浓度。有了电荷密度,就能计算出空间电荷区内每一点的电场强度和电位,算出了各位置的电位,就可以画完能带图了。

     

    接下来就该研究PN结怎么导电了。简单起见这里就做一下定性的描述,具体更准确的分析还是请看书。

    从能带图可以看出,对于电子,可以轻易地从P型半导体进入N型半导体,但是P型半导体内电子非常少。而N型半导体中的电子,则需要越过一个势垒才能进入P型半导体。

    当我们外加电压使PN结正偏时,外加电场与空间电荷区内建电场方向相反。这一外加电场使得空间电荷区出现一个与内建电势反向的偏压,N型半导体相对于P型半导体电位降低,势垒的高度减小。

    由于势垒高度减低,N型半导体的电子在外加电场的作用下就有较大的概率能越过势垒到达P型区,产生电流,而P型半导体的空穴也是类似,此时我们就称PN结导通了。

    除了正向偏压导通之外,PN结还会被反向击穿。反向击穿一般有两种,雪崩击穿齐纳击穿

    雪崩击穿是当外加的反向电场足够大时,半导体内的载流子能量非常高,在和原子发射碰撞时足够破坏共价键,激发出新的载流子。这使得半导体内载流子浓度随着碰撞发生成倍增加,使得反向第电流急剧增大。

    齐纳击穿则是由于反向偏压使得N型半导体的导带底部低于P型半导体的价带顶部,此时量子效应可以让p型半导体价带中的电子直接隧穿到n型半导体的导带中,形成电流。

     

    以上就是PN结形成与导电原理的简单描述,有兴趣的朋友可以找《半导体物理》或者《半导体器件物理》的教材看看,上面有更准确、更详细的推导过程。

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    0、小叙闲言

    前面已经写了两篇介绍放大器应用和MOSFET作驱动的文章:常规放大电路和差分放大电路MOSFET使用与H桥驱动问题但是对它们的工作原理并没有进一步研究一下,今天写下这篇文章,主要是介绍二极管的工作原理,为后面的三极管和MOSFET工作原理的理解打下基础,然后,应该能理解放大器的工作原理,最后也就也能解决上两篇文章提出的问题了。

    1、PN结形成

    P(Positive)型和N(Negative)型可根据它们的载流子(载流子说得比较学术,其实就是导体里面能流动的带电粒子,为电子或者是空穴,空穴可以看作是带正电的电子)来区分。对半导体材料(一般应该是硅Si)参入不同的杂质,就可以形成P型半导体和N型半导体。P型半导体里面能够流动的粒子是空穴,N型半导体里面能够流动的粒子是电子。它们的结构如下图1所示,对于它们俩如何参杂以形成不同的半导体,我们可没必要再研究下去,除非你是专门搞半导体材料的。P型半导体中的大红圆是负离子,由于材料的性质,它是不可移动的,而其中的小绿圆(空穴),是可移动的,这一点很重要,请务必记住;同理N型半导体,它里面的大绿圆(正离子)不可自由移动,而小红圆(电子)可自由移动。

    图1 P型和N型半导体结构

    简单了解了P型半导体和N型半导体之后,我们常说的PN结是如何形成的呢,且看下方图2动图。当P型半导体和N型半导体接合在一起的时候,由于P型半导体中空穴浓度高,而N型半导体中电子浓度高,因此会形成一个扩散运动,P型半导体中空穴会向它浓度低的地方扩散,从而扩散到N型区,N型半导体的电子也会向它浓度低的地方扩散,从而扩散到P型区。这样一来,P型区剩下不能自由移动的负离子,而N型区剩下不能自由移动的正离子,一正一负,在PN结内部形成了一个从左往右的内电场,基本上这个内电场就体现PN结的工作特性。另外有一点要说明的是,PN结只是局部带电,即P型区呈负电,而N型区呈负电,但是它们俩一中和,整体上是呈中性的。

    图2 PN结形成过程

    2、PN结接正向电压

    当PN结接正向电压时,即P型区接电源的正极,N型区接电源的负极。这时外加电源形成的电场就会与内电场方向相反,而当外电场的强度超过内电场的时候,PN结就导通了,这时电子就可以从PN结通过。如下图3动图所示,电路中,在导线上流动的是负电子,下图中为了方便起方,用的空穴表示,不会影响分析过程。在外部电场完全抵消内部电场之后,空穴就可以畅通无阻地通过PN结了。

    图3 PN结接正向电压工作过程

    3、PN结接反向电压

    当PN结接反向电压时,P型区的空穴会被电子抵消掉,而N型区电子会流动到电源的正极,这样一来,会有助于内电场强度增强,更不利于电子通过PN结。内电场不停地增强,会超过外部电源形成的电场强度,超过之后,电子就不能够通过PN结了。在外部看来,就是反向电阻无穷大了。

    图4 PN结接反向电压

    心得总结

    PN结的工作原理比较简单,但是为了做几个动图,花了不少时间。以前的图都是用VISIO画的。因为好久没用PPT了,就用PPT画了文中所有的图,发现PPT作图也很方便,而且漂亮,做动画的功能也非常强大。

    知识能力有限,如果图中有什么错误,还请各位同学批评指正,如果有更好的见解,也请大牛们不吝赐教。

    转载于:https://www.cnblogs.com/endlesscoding/p/6766843.html

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