PN结的形成及PN结工作原理图 PN结及其单向导电性

本征半导体掺杂后形成的 P 型半导体和 N 型半导体, 虽然导电能力大大增强, 但一般并不能直接用来制造半导体器件,各种半导体器件的核心结构是将 P 型半导体和 N 型半导体通过一定的制作工艺形成的 PN 结, 因此,掌握 PN 结的基本原理十分重要。

1. PN 结的形成

如果一块半导体的两部分分别掺杂形成 P 型半导体和 N 型半导体, 在它们的交界面处就形成了 PN 结。

交界面处存在载流子浓度的差异,会引起载流子的扩散运动, 如图 2. 3( a)所示。P 区空穴多,电子少; N 区电子多,空穴少。于是, N 区电子要向 P 区扩散, 扩散到 P 区的电子与空穴复合, 在交界面附近的 N 区留下一些带正电的 5 价杂质离子, 形成正离子区;同时, P 区空穴向 N区扩散, P 区一侧留下带负电的 3 价杂质离子,形成负离子区。这些正负离子通常称为空间电荷,它们不能自由移动, 不参与导电。扩散运动的结果, 产生从 N 区指向 P 区的内电场, 如图2. 3( b) 所示。

图 2.3 PN 结的形成

在内电场的作用下, P 区的少子电子向 N 区运动, N 区的少子空穴向 P 区运动。这种在内电场作用下的载流子运动称为漂移运动。

由上述分析可知, P 型半导体和 N 型半导体交界面存在着两种相反的运动———多子的扩散运动和少子的漂移运动。内电场促进了少子的漂移运动, 却阻挡多子的扩散运动。当这两种运动达到动态平衡时,空间电荷区的宽度稳定下来, 不再变化,这种宽度稳定的空间电荷区,就称做 PN 结。

在 PN 结内, 由于载流子已扩散到对方并复合掉了, 或者说被耗尽了, 所以空间电荷区又称为耗尽层。

2. PN 结的单向导电性

PN 结无外加电压时, 扩散运动和漂移运动处于动态平衡, 流过 PN 结的电流为 0。当外加一定的电压时,由于所加电压极性的不同, PN 结的导电性能不同。

(1 ) 正向偏置———PN 结低阻导通

通常将加在 PN 结上的电压称为偏置电压。若 PN 结外加正向电压 ( P 区接电源的正极,N 区接电源的负极,或 P 区电位高于 N 区电位 ) ,称为正向偏置。如图 2 .4 ( a )所示。这时外加电压在 PN 结上形成的外电场的方向与内电场的方向相反, 因此扩散运动与漂移运动的平衡被破坏。外电场有利于扩散运动,不利于漂移运动, 于是多子的扩散运动加强, 中和了一部分空间电荷,整个空间电荷区变窄, 形成较大的扩散电流,方向由 P 区指向 N 区, 称为正向电流。在一定范围内,外加电压越大, 正向电流越大, PN 结呈低阻导通状态。

注意:正向电流由两部分组成, 即电子电流和空穴电流,虽然电子和空穴的运动方向相反,但形成的电流方向一致。

图 2 .4 PN 结的单向导电性

(2 ) 反向偏置———PN 结高阻截止

若 PN 结外加反向电压 ( P 区接电源的负极, N 区接电源的正极, 或 P 区电位低于 N 区电位) ,称为反向偏置。如图 2.4(b)所示。这时外加电压在 PN 结上形成的外电场的方向与内电场的方向相同,加强了内电场,促进了少子的漂移运动,使空间电荷区变宽,不利于多子扩散运动的进行。此时主要由少子的漂移运动形成的漂移电流将超过扩散电流, 方向由 N 区指向 P 区,称为反向电流。由于在常温下少数载流子数量很少, 所以反向电流很小。此时 PN 结呈高阻截止状态。在一定温度下,若反向偏置电压超过某个值(零点几伏), 反向电流不会随着反向电压的增大而增大,称为反向饱和电流。反向饱和电流是由少子产生的,因此对温度变化非常敏感。

综上所述, PN 结具有单向导电性: 正向偏置时,呈导通状态; 反向偏置时,呈截止状态。除了单向导电性, PN 结还有感温、感光、发光等特性, 这些特性经常得到应用, 制成各种用途的半导体器件。