PN結(jié)原理
1.PN結(jié)的形成原理
在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:
因濃度差
↓
多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)→由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)
↓
空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)
↓ ↓
內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移 內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散
最后，多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。
PN結(jié)形成過程的動(dòng)態(tài)演示過程--請(qǐng)點(diǎn)擊右鏈接圖標(biāo)進(jìn)入：。
2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>
PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外?strong>電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大;反之是高阻性，電流小。
如果外加電壓使：
PN結(jié)P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位稱為加正向電壓，簡稱正偏;
PN結(jié)P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位稱為加反向電壓，簡稱反偏。
(1)外加正向電壓
外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是，內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。
PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況的動(dòng)態(tài)演示--請(qǐng)點(diǎn)擊右鏈接圖標(biāo)進(jìn)入：。
(2)外加反向電壓
外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。
在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。
PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況的動(dòng)態(tài)演示--請(qǐng)點(diǎn)擊右鏈接圖標(biāo)進(jìn)入：
PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流;PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>
4.2.1 PN結(jié)的形成
在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:
因濃度差
↓
多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)→由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)
↓
空間電荷區(qū)形成形成內(nèi)電場(chǎng)
↓ ↓
內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移 內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散
最后，多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。PN結(jié)形成的過程可參閱圖01.06。
圖01.06 PN結(jié)的形成過程
4.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>
PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大;反之是高阻性，電流小。
如果外加電壓使：
PN結(jié)P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位稱為加正向電壓，簡稱正偏;
PN結(jié)P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位稱為加反向電壓，簡稱反偏。
(1) PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況
PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖01.07所示。
外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是，內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。
圖01.07 PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況
(2) PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況
PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖01.08所示。
外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。
在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。
PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流;PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>
圖01.08 PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況
4.2.3 PN結(jié)的電容效應(yīng)
PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。一是勢(shì)壘電容CB ，二是擴(kuò)散電容CD 。
(1) 勢(shì)壘電容CB
勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢(shì)壘電容的示意圖見圖01.09。
圖01.09 勢(shì)壘電容示意圖
(2) 擴(kuò)散電容CD
擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴(kuò)散電容的示意圖如圖01.10所示。
當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。
圖01.10 擴(kuò)散電容示意圖
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