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PN结相关知识

文章作者:照明工业 上传时间:2020-05-07

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1. PN结

  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)。

  PN结具有单向导电性,是电子技术中许多器件所利用的特性,例如半导体二极管、双极性晶体管的物质基础。

转载自百家号作者:电子电工发布号

2. 原理-杂质半导体

半导体器件种类有很多,并且用途也不一样,它们们在电子线路中起着重要的作用。今天我们来介绍一下最简单的半导体,晶体二极管,简称二极管。

2.1 N型半导体

  N型半导体(N为Negative的字头,由于电子带负电荷而得此名):掺入少量杂质磷元素的硅晶体中。  由于半导体原子被杂质原子取代,磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键,多出的一个电子几乎不受束缚,较为容易地成为自由电子。  N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体,其导电性主要是因为自由电子导电。

那么晶体二极管是什么样的呢?

2.2P型半导体

  P型半导体(P为Positive的字头,由于空穴带正电而得此名):掺入少量杂质硼元素的硅晶体中。  由于半导体原子被杂质原子取代,硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候,会产生一个“空穴”,能吸引束缚电子来“填充”,使得硼原子成为带负电的离子。  这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”(“相当于”正电荷),成为能够导电的物质。

在一个密封的管体两端有两根电极引线,一个是正极,又称阳极,另外一个是负极,又称阴极。通常在管体外壳上都有标记来区分这两个电极。

2.3 PN结的形成

  PN结是由一个N型掺杂区和一个P型掺杂区紧密接触所构成的,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N型区内自由电子为多子空穴几乎为零称为少子,而P型区内空穴为多子自由电子为少子,在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。  由于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。  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。  开路中半导体中的离子不能任意移动,因此不参与导电。  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,空间电荷区的薄厚和掺杂物浓度有关。  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。  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。

二极管加电压有“正偏”,“反偏”之说,那么什么是正偏和反偏呢?

3. 特性

当二极管导通时,其正极电位高于负极电位,则此时外加电压称为正向电压,二极管处于正向偏置,简称“正偏”状态;二极管截止时,其正极电位低于负极电位,此时的外加电压称为反向电压,二极管处于反向偏置,简称“反偏”状态。

3.1 特性概述

  从PN结的形成原理可以看出,要想让PN结导通形成电流,必须消除其空间电荷区的内部电场的阻力。  很显然,给它加一个反方向的更大的电场,即P区接外加电源的正极,N区结负极,就可以抵消其内部自建电场,使载流子可以继续运动,从而形成线性的正向电流。  而外加反向电压则相当于内建电场的阻力更大,PN结不能导通,仅有极微弱的反向电流(由少数载流子的漂移运动形成,因少子数量有限,电流饱和)。  当反向电压增大至某一数值时,因少子的数量和能量都增大,会碰撞破坏内部的共价键,使原来被束缚的电子和空穴被释放出来。  不断增大电流,最终PN结将被击穿损坏,反向电流急剧增大。    32007.com太阳集团 2

  这就是PN结的特性(单向导通、反向饱和漏电或击穿导体),也是晶体管和集成电路最基础、最重要的物理原理,所有以晶体管为基础的复杂电路的分析都离不开它。

  比如二极管就是基于PN结的单向导通原理工作的;而一个PNP结构则可以形成一个三极管,里面包含了两个PN结。二极管和三极管都是电子电路里面最基本的元件。

晶体二极管还有一个非常重要的特性,当晶体二极管加一定的正向电压时导通,加反向电压时截止,这一导电特性,称为晶体二极管的单向导电性。

3.1 反向击穿性

  PN结加反向电压时,空间电荷区变宽,区中电场增强。反向电压增大到一定程度时,反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流,则电流会大到将PN结烧毁。  反向电流突然增大时的电压称击穿电压。基本的击穿机构有两种,即隧道击穿和雪崩击穿,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。

二极管的pn结是什么?

3.1.1 雪崩击穿

  阻挡层中的载流子漂移速度随内部电场的增强而相应加快到一定程度时,其动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来,产生自由电子—空穴对。  新产生的载流子在强电场作用下,再去碰撞其它中性原子,又产生新的自由电子—空穴对,如此连锁反应,使阻挡层中的载流子数量急剧增加,象雪崩一样。  雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中,阻挡层宽,碰撞电离的机会较多,雪崩击穿的击穿电压高。

晶体二极管有两种材料做成,分别为硅和锗半导体材料。半导体中有两种导电的带电物质,一个是带负电的自由电子,另一个是带正电的空穴。

3.1.2齐纳击穿

32007.com太阳集团,  齐纳击穿通常发生在掺杂浓度很高的PN结内。由于掺杂浓度很高,PN结很窄,这样即使施加较小的反向电压,结层中的电场却很强(可达2.5×105V/m左右)。  在强电场作用下,会强行促使PN结内原子的价电子从共价键中拉出来,形成"电子一空穴对",从而产生大量的载流子。  它们在反向电压的作用下,形成很大的反向电流,出现了击穿。显然,齐纳击穿的物理本质是场致电离。

p型半导体它也称为空穴型半导体,其内部空穴数量多于自由电子数量,即空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子。

3.1.3 热电击穿

  当pn结施加反向电压时,流过pn结的反向电流要引起热损耗。反向电压逐渐增大时,对于一定的反向电流所损耗的功率也增大,这将产生大量热量。  如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去,则将引起结温上升。这种由于热不稳定性引起的击穿,称为热电击穿。

n型半导体它称为电子型半导体,其内部自由电子是多数载流子,而空穴是少数载流子。

3.1.4 击穿电压的温度特性

  温度升高后,晶格振动加剧,致使载流子运动的平均自由路程缩短,碰撞前动能减小,必须加大反向电压才能发生雪崩击穿具有正的温度系数。  但温度升高,共价键中的价电子能量状态高,从而齐纳击穿电压随温度升高而降低,具有负的温度系数。  采取适当的掺杂工艺,将硅PN结的雪崩击穿电压可控制在8~1000V。而齐纳击穿电压低于5V。在5~8V之间两种击穿可能同时发生。

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