PN结的形成

2011-07-12 20:19:23来源: 互联网
PN结的形成

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,那么在两种半导体的交界面附近就形成了PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。

在P型半导体和N型半导体结合后,由于N型区内电子很多而空穴很少,而P型区内空穴很多电子很少,在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。这样,电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。于是,有一些电子要从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。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,形成了一个很薄的空间电荷区,就是所谓的PN结。空间电荷区有时又称为耗尽区。扩散越强,空间电荷区越宽。

在出现了空间电荷区以后,由于正负电荷之间的相互作用,在空间电荷区就形成了一个内电场,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,它是阻止扩散的。

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,因此,漂移运动的结果是使空间电荷区变窄。

当漂移运动和扩散运动相等时,PN结便处于动态平衡状态。

二、PN结的正向导电性

当PN结加上外加正向电压,即电源的正极接P区,负极接N区时,外加电场与PN结内电场方向相反。在这个外加电场作用下,PN结的平衡状态被打破,P区中的多数载流子空穴和N区中的多数载流子电子都要向PN结移动,当P区空穴进入PN结后,就要和原来的一部分负离子中和,使P区的空间电荷量减少。同样,当N区电子进入PN结时,中和了部分正离子,使N区的空间电荷量减少,结果使PN结变窄,即耗尽区由厚变薄,由于这时耗尽区中载流子增加,因而电阻减小。势垒降低使P区和N区中能越过这个势垒的多数载流子大大增加,形成扩散电流。在这种情况下,由少数载流了形成的漂移电流,其方向与扩散电流相反,和正向电流比较,其数值很小,可忽略不计。这时PN结内的电流由起支配地位的扩散电流所决定。在外电路上形成一个流入P区的电流,称为正向电流。当外加电压稍有变化(如O.1V),便能引起电流的显著变化,因此电流是随外加电压急速上升的。 这时,正向的PN结表现为一个很小的电阻。

三、PN结的反向导电性

当PN结外加反向电压,即电源的正极接N区,负极接P区。外加电场方向与PN结内电场方向相同,PN结处于反向偏置。在反向电压的作用下,P区中的空穴和N区中的电子都将进一步离开PN结,使耗尽区厚度加宽,PN结的内电场加强。这一结果,一方面使P区和N区中的多数载流子就很难越过势垒,扩散电流趋近于零。另一方面,由于内电场的加强,使得N区和P区中的少数载流子更容易产生漂移运动。这样,流过PN结的电流由起支配地位的漂移电流所决定。漂移电流表现在外电路上有一个流入N区的反向电流IR。由于少数载流子是由本征激发产生的,其浓度很小,所以IR是很微弱的,一般为微安数量级。当管子制成后,IR数值决定于温度,而几乎与外加电压无关。IR受温度的影响较大,在某些实际应用中,还必须予以考虑。

PN结在反向偏置时,IR很小,PN结呈现一个很大的电阻,可认为它基本是不导电的。

四、PN结的伏安特性

PN结的伏安特性(外特性)如图所示,它直观形象地表示了PN结的单向导电性。

PN结的伏安特性曲线

伏安特性的表达式

式中

iD——通过PN结的电流

vD——PN结两端的外加电压

VT——温度的电压当量,VT = kT/q = T/11600 = 0.026V,其中k为波耳兹曼常数(1.38×10–23J/K),T为热力学温度,即绝对温度(300K),q为电子电荷(1.6×10–19C)。在常温下,VT ≈26mV。

e——自然对数的底

Is——反向饱和电流,对于分立器件,其典型值为108~1014A的范围内。集成电路中二极管PN结,其Is值则更小.

当vD>>0,且vD>VT时,

当vD<0,且 时,iD≈–IS≈0。

由此可看出PN结的单向导电性。

五、PN结的反向击穿特性

反向伏安性

PN结的伏安特性曲线

当PN结外加反相电压|vD|小于击穿电压(VBR)时,iD≈–IS。IS很小且随温度变化。当反向电压的绝对值达到|VBR|后,反向电流会突然增大,此时PN结处于“反向击穿”状态。发生反向击穿时,在反向电流很大的变化范围内,PN结两端电压几乎不变。

反向击穿分为电击穿和热击穿,电击穿包括雪崩击穿和齐纳击穿。PN结热击穿后电流很大,电压又很高,消耗在结上的功率很大,容易使PN结发热,把PN结烧毁。热击穿是不可逆的。

雪崩击穿

PN结的雪崩击穿符号

当PN结反向电压增加时,空间电荷区中的电场随着增强。这样,通过空间电荷区的电子和空穴,就会在电场作用下获得的能量增大,在晶体中运动的电子和空六将不断地与晶体原子又发生碰撞,当电子和空穴的能量足够大时,通过这样的碰撞的可使共价键中的电子激发形成自由电子–空穴对。新产生的电子和空穴也向相反的方向运动,重新获得能量,又可通过碰撞,再产生电子–空穴对,这就是载流子的倍增效应。当反向电压增大到某一数值后,载流子的倍增情况就像在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样,载流子增加得多而快,这样,反向电流剧增, PN结就发生雪崩击穿。   

齐纳击穿

在加有较高的反向电压下,PN结空间电荷区中存一个强电场,它能够破坏共价键,将束缚电子分离出来产生电子–空穴对,形成较大的反向电流。发生齐纳击穿需要的电场强度约为2×105V/cm,这只有在杂质浓度特别大的PN结中才能达到。因为杂质浓度大,空间电荷区内电荷密度(即杂质离子)也大,因而空间电荷区很窄,电场强度可能很高。

六、PN结的势垒电容

在一定条件下,PN结显现出充放电的电容效应。不同的工作情况下的电容效应,分别用势垒电容和扩散电容于以描述。

势垒电容CB

势垒电容CB描述了PN结势垒区空间电荷随电压变化而产生的电容效应。PN结的空间电荷随外加电压的变化而变化,当外加电压升高时,N区的电子和P区空穴进入耗尽区,相当于电子和空穴分别向CB“充电”,如图(a)所示。当外加电压降低时,又有电子和空穴离开耗尽区,好像电子和空穴从CB放电,如图(b)所示。CB是非线性电容,电路上CB与结电阻并联。在PN结反偏时结电阻很大,CB的作用不能忽视,特别是在高频时,它对电路有较大的影响。

  

 

七、PN结的扩散电容

扩散电容CD

PN结正向导电时,多子扩散到对方区域后,在PN结边界上积累,并有一定的浓度分布。积累的电荷量随外加电压的变化而变化,当PN结正向电压加大时,正向电流随着加大,这就要求有更多的载流子积累起来以满足电流加大的要求;而当正向电压减小时,正向电流减小,积累在P区的电子或N区的空穴就要相对减小,这样,当外加电压变化时,有载流子的向PN结“充入”和“放出”。,PN结的扩散电容CD描述了积累在P区的电子或N区的空穴随外加电压的变化的电容效应。

CD是非线性电容,PN结正偏时,CD较大,反偏时载流子数目很少,因此反向时扩散电容数值很小。一般可以忽略。

八、PN结的高频等效电路

由于PN结结电容(CB和CD)的存在,使其在高频运用时,必须考虑结电容的影响。PN结高频等效电路如下图所示,图中r表示电阻,C为结电容,它包括势垒电容和扩散电容。C的大小除了与本身结构和工艺有关外,还与外加电压有关。当PN结处于正向偏置时,r为正向电阻,数值很小,而结电容较大(主要决定于扩散电容CD)。当PN结处于反向偏置时,r为反向电阻,其数值较大。结电容较小(主要决定于势垒电容CB)。

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编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0712/article_10554.html
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