PN結(jié)是怎么形成的
PN結(jié)是怎么形成的
采用不同的摻雜工藝，通過(guò)擴(kuò)散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體(通常是硅或鍺)基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱(chēng)為PN結(jié)(英語(yǔ)：PN junction)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，是電子技術(shù)中許多器件所利用的特性，例如半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管的物質(zhì)基礎(chǔ)。你對(duì)PV結(jié)有什么認(rèn)識(shí)呢?下面由學(xué)習(xí)啦小編為你詳細(xì)介紹。
PB結(jié)石怎么形成的：
雜質(zhì)半導(dǎo)體
N型半導(dǎo)體(N為Negative的字頭，由于電子帶負(fù)電荷而得此名)：摻入少量雜質(zhì)磷元素(或銻元素)的硅晶體(或鍺晶體)中，由于半導(dǎo)體原子(如硅原子)被雜質(zhì)原子取代，磷原子外層的五個(gè)外層電子的其中四個(gè)與周?chē)陌雽?dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，多出的一個(gè)電子幾乎不受束縛，較為容易地成為自由電子。于是，N型半導(dǎo)體就成為了含電子濃度較高的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性主要是因?yàn)樽杂呻娮訉?dǎo)電。
P型半導(dǎo)體(P為Positive的字頭，由于空穴帶正電而得此名)：摻入少量雜質(zhì)硼元素(或銦元素)的硅晶體(或鍺晶體)中，由于半導(dǎo)體原子(如硅原子)被雜質(zhì)原子取代，硼原子外層的三個(gè)外層電子與周?chē)陌雽?dǎo)體原子形成共價(jià)鍵的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“空穴”，這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)“填充”，使得硼原子成為帶負(fù)電的離子。這樣，這類(lèi)半導(dǎo)體由于含有較高濃度的“空穴”(“相當(dāng)于”正電荷)，成為能夠?qū)щ姷奈镔|(zhì)。
PN結(jié)的形成
PN結(jié)是由一個(gè)N型摻雜區(qū)和一個(gè)P型摻雜區(qū)緊密接觸所構(gòu)成的，其接觸界面稱(chēng)為冶金結(jié)界面。
在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，我們稱(chēng)兩種半導(dǎo)體的交界面附近的區(qū)域?yàn)镻N結(jié)。
在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)自由電子為多子空穴幾乎為零稱(chēng)為少子，而P型區(qū)內(nèi)空穴為多子自由電子為少子，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差。由于自由電子和空穴濃度差的原因，有一些電子從N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散。它們擴(kuò)散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。開(kāi)路中半導(dǎo)體中的離子不能任意移動(dòng)，因此不參與導(dǎo)電。這些不能移動(dòng)的帶電粒子在P和N區(qū)交界面附近，形成了一個(gè)空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)的薄厚和摻雜物濃度有關(guān)。
在空間電荷區(qū)形成后，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)形成了內(nèi)電場(chǎng)，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。顯然，這個(gè)電場(chǎng)的方向與載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反，阻止擴(kuò)散。
另一方面，這個(gè)電場(chǎng)將使N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，漂移運(yùn)動(dòng)的方向正好與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補(bǔ)充了原來(lái)交界面上P區(qū)所失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補(bǔ)充了原來(lái)交界面上N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，內(nèi)電場(chǎng)減弱。因此，漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。
最后，多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄層，這個(gè)離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱(chēng)為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱(chēng)耗盡層。
PN結(jié)的特性：
從PN結(jié)的形成原理可以看出，要想讓PN結(jié)導(dǎo)通形成電流，必須消除其空間電荷區(qū)的內(nèi)部電場(chǎng)的阻力。很顯然，給它加一個(gè)反方向的更大的電場(chǎng)，即P區(qū)接外加電源的正極，N區(qū)結(jié)負(fù)極，就可以抵消其內(nèi)部自建電場(chǎng)，使載流子可以繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而形成線(xiàn)性的正向電流。而外加反向電壓則相當(dāng)于內(nèi)建電場(chǎng)的阻力更大，PN結(jié)不能導(dǎo)通，僅有極微弱的反向電流(由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)形成，因少子數(shù)量有限，電流飽和)。當(dāng)反向電壓增大至某一數(shù)值時(shí)，因少子的數(shù)量和能量都增大，會(huì)碰撞破壞內(nèi)部的共價(jià)鍵，使原來(lái)被束縛的電子和空穴被釋放出來(lái)，不斷增大電流，最終PN結(jié)將被擊穿(變?yōu)閷?dǎo)體)損壞，反向電流急劇增大。
這就是PN結(jié)的特性(單向?qū)?、反向飽和漏電或擊穿?dǎo)體)，也是晶體管和集成電路最基礎(chǔ)、最重要的物理原理，所有以晶體管為基礎(chǔ)的復(fù)雜電路的分析都離不開(kāi)它。比如二極管就是基于PN結(jié)的單向?qū)ㄔ砉ぷ鞯?而一個(gè)PNP結(jié)構(gòu)則可以形成一個(gè)三極管，里面包含了兩個(gè)PN結(jié)。二極管和三極管都是電子電路里面最基本的元件。
反向擊穿性
PN結(jié)加反向電壓時(shí)，空間電荷區(qū)變寬，區(qū)中電場(chǎng)增強(qiáng)。反向電壓增大到一定程度時(shí)，反向電流將突然增大。如果外電路不能限制電流，則電流會(huì)大到將PN結(jié)燒毀。反向電流突然增大時(shí)的電壓稱(chēng)擊穿電壓?；镜膿舸C(jī)構(gòu)有兩種，即隧道擊穿(也叫齊納擊穿)和雪崩擊穿，前者擊穿電壓小于6V，有負(fù)的溫度系數(shù)，后者擊穿電壓大于6V，有正的溫度系數(shù)。
雪崩擊穿：阻擋層中的載流子漂移速度隨內(nèi)部電場(chǎng)的增強(qiáng)而相應(yīng)加快到一定程度時(shí)，其動(dòng)能足以把束縛在共價(jià)鍵中的價(jià)電子碰撞出來(lái)，產(chǎn)生自由電子—空穴對(duì)，新產(chǎn)生的載流子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，再去碰撞其它中性原子，又產(chǎn)生新的自由電子—空穴對(duì)，如此連鎖反應(yīng)，使阻擋層中的載流子數(shù)量急劇增加，象雪崩一樣。雪崩擊穿發(fā)生在摻雜濃度較低的PN結(jié)中，阻擋層寬，碰撞電離的機(jī)會(huì)較多，雪崩擊穿的擊穿電壓高。
齊納擊穿：齊納擊穿通常發(fā)生在摻雜濃度很高的PN結(jié)內(nèi)。由于摻雜濃度很高，PN結(jié)很窄，這樣即使施加較小的反向電壓(5V以下)，結(jié)層中的電場(chǎng)卻很強(qiáng)(可達(dá)2.5×105V/m左右)。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，會(huì)強(qiáng)行促使PN結(jié)內(nèi)原子的價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉出來(lái)，形成"電子一空穴對(duì)"，從而產(chǎn)生大量的載流子。它們?cè)诜聪螂妷旱淖饔孟?，形成很大的反向電流，出現(xiàn)了擊穿。顯然，齊納擊穿的物理本質(zhì)是場(chǎng)致電離。
采取適當(dāng)?shù)膿诫s工藝，將硅PN結(jié)的雪崩擊穿電壓可控制在8～1000V。而齊納擊穿電壓低于5V。在5～8V之間兩種擊穿可能同時(shí)發(fā)生。
熱電擊穿：當(dāng)pn結(jié)施加反向電壓時(shí)，流過(guò)pn結(jié)的反向電流要引起熱損耗。反向電壓逐漸增大時(shí)，對(duì)于一定的反向電流所損耗的功率也增大，這將產(chǎn)生大量熱量。如果沒(méi)有良好的散熱條件使這些熱能及時(shí)傳遞出去，則將引起結(jié)溫上升。這種由于熱不穩(wěn)定性引起的擊穿，稱(chēng)為熱電擊穿。
擊穿電壓的溫度特性：溫度升高后，晶格振動(dòng)加劇，致使載流子運(yùn)動(dòng)的平 均自由路程縮短，碰撞前動(dòng)能減小，必須加大反向電壓才能發(fā)生雪崩擊穿具有正的溫度系數(shù)，但溫度升高，共價(jià)鍵中的價(jià)電子能量狀態(tài)高，從而齊納擊穿電壓隨溫度升高而降低，具有負(fù)的溫度系數(shù)。
單向?qū)щ娦?/p>
(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通
如果電源的正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)，外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，PN結(jié)處于正向偏置。電流便從P型一邊流向N型一邊，空穴和電子都向界面運(yùn)動(dòng)，使空間電荷區(qū)變窄，電流可以順利通過(guò)，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。
(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止
如果電源的正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)，外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，PN結(jié)處于反向偏置。則空穴和電子都向遠(yuǎn)離界面的方向運(yùn)動(dòng)，使空間電荷區(qū)變寬，電流不能流過(guò)，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(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱(chēng)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>
伏安特性
PN結(jié)的伏安特性(外特性)如圖所示，它直觀形象地表示了PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p> 伏安特性的表達(dá)式為：
當(dāng)vD>>0，且vD>VT時(shí)， ;
當(dāng)vD<0，且 時(shí)，iD≈–IS≈0。
電容特性
PN結(jié)加反向電壓時(shí)，空間電荷區(qū)中的正負(fù)電荷構(gòu)成一個(gè)電容性的器件。它的電容量隨外加電壓改變，主要有勢(shì)壘電容(CB)和擴(kuò)散電容(CD)。勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容均是非線(xiàn)性電容。
勢(shì)壘電容：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。勢(shì)壘區(qū)類(lèi)似平板電容器，其交界兩側(cè)存儲(chǔ)著數(shù)值相等極性相反的離子電荷，電荷量隨外加電壓而變化，稱(chēng)為勢(shì)壘電容，用CB表示，其值為：
擴(kuò)散電容：PN結(jié)正向?qū)щ姇r(shí)，多子擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域后，在PN結(jié)邊界上積累，并有一定的濃度分布。積累的電荷量隨外加電壓的變化而變化，當(dāng)PN結(jié)正向電壓加大時(shí)，正向電流隨著加大，這就要求有更多的載流子積累起來(lái)以滿(mǎn)足電流加大的要求;而當(dāng)正向電壓減小時(shí)，正向電流減小，積累在P區(qū)的電子或N區(qū)的空穴就要相對(duì)減小，這樣，當(dāng)外加電壓變化時(shí)，有載流子向PN結(jié)“充入”和“放出”。PN結(jié)的擴(kuò)散電容CD描述了積累在P區(qū)的電子或N區(qū)的空穴隨外加電壓的變化的電容效應(yīng)。[10]
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(guò)來(lái)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(xiàn)。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(lèi)似的濃度梯度分布曲線(xiàn)。
CD是非線(xiàn)性電容，PN結(jié)正偏時(shí)，CD較大，反偏時(shí)載流子數(shù)目很少，因此反偏時(shí)擴(kuò)散電容數(shù)值很小。一般可以忽略。
PN結(jié)電容：PN結(jié)的總電容Cj為CT和CD兩者之和Cj = CT+CD ，外加正向電 壓CD很大， Cj以擴(kuò)散電容為主(幾十pF到幾千pF) ，外加反向電壓CD趨于零，Cj以勢(shì)壘電容為主(幾pF到幾十pF到)。
PN結(jié)的應(yīng)用：
根據(jù)PN結(jié)的材料、摻雜分布、幾何結(jié)構(gòu)和偏置條件的不同，利用其基本特性可以制造多種功能的晶體二極管。如利用PN結(jié)單向?qū)щ娦钥梢灾谱髡鞫O管、檢波二極管和開(kāi)關(guān)二極管，利用擊穿特性制作穩(wěn)壓二極管和雪崩二極管;利用高摻雜PN結(jié)隧道效應(yīng)制作隧道二極管;利用結(jié)電容隨外電壓變化效應(yīng)制作變?nèi)荻O管。使半導(dǎo)體的光電效應(yīng)與PN結(jié)相結(jié)合還可以制作多種光電器件。如利用前向偏置異質(zhì)結(jié)的載流子注入與復(fù)合可以制造半導(dǎo)體激光二極管與半導(dǎo)體發(fā)光二極管;利用光輻射對(duì)PN結(jié)反向電流的調(diào)制作用可以制成光電探測(cè)器;利用光生伏特效應(yīng)可制成太陽(yáng)電池。此外，利用兩個(gè)PN結(jié)之間的相互作用可以產(chǎn)生放大，振蕩等多種電子功能。PN結(jié)是構(gòu)成雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的核心，是現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)。在二級(jí)管中廣泛應(yīng)用。
穩(wěn)壓二極管
PN結(jié)一旦擊穿后，盡管反向電流急劇變化，但其端電壓幾 乎不變(近似為VBR，只要限制它的反向電流，PN結(jié) 就不會(huì)燒壞，利用這一特性可制成穩(wěn)壓二極管，其電路符號(hào)及伏安特性如上圖所示：其主要參數(shù)有： VZ 、 Izmin 、 Iz 、 Izmax。