PN结的形成及特性

111第3章二极管及其基本电路3.2PN结的形成及特性P是指的P型半导体，N指的是N型半导体，当一块纯净的半导体一半掺杂为N型，一半掺杂为P型，那么在两个区域之间就形成了一个PN结（结是指的N型半导体和P型半导体的交接的介面上），首先看一下PN结是怎么形成的？在同一片半导体基片上，分别制造了P型半导体和N型半导体.P型半导体的多子是什么？空穴N型半导体的多子是什么？自由电子.如果把他们接到一块，在他们的介面上就会存在截流子的浓度差，如果存在浓度差，就会形成一系列的结果。222第3章二极管及其基本电路3.2.1载流子的漂移与扩散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++N++++++++++++++++++++++++++++++++++++以N型半导体为基片通过半导体扩散工艺333第3章二极管及其基本电路使半导体的一边形成N型区，另一边形成P型区。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------444第3章二极管及其基本电路左边是P型半导体，右边是N型半导体。P型半导体里面还画出了它的少子（自由电子）（一个小点），N型半导体里面也画出了它的少子（空穴）（一个小圆圈）.P型半导体N型半导体少子(自由电子)少子(空穴)N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------555第3章二极管及其基本电路N区有许多自由电子（多数载流子）和几个由于热产生的空穴（少数载流子），而P区有许多空穴（多数载流子）和几个由于热产生的自由电子（少数电子）。PN结构成了基本的二极管。二极管是只允许电流往一个方向流动的元件。P型半导体N型半导体少子(自由电子)少子(空穴)N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------666第3章二极管及其基本电路(1)在浓度差的作用下，电子从N区向P区扩散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------777第3章二极管及其基本电路(2)在浓度差的作用下，空穴从P区向N区扩散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------888第3章二极管及其基本电路在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。由于他们的量比较大，我们称作多子在进行扩散运动.扩散运动N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------999第3章二极管及其基本电路扩散运动空间电荷层扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------101010第3章二极管及其基本电路形成内电场内电场(E)方向一旦扩散以后，在它的介面上，就剩下了正离子和负离子，这时候就存形成一个电场.方向是从带正电的N区指向带负电的P区。这个电场是在内部形成的，称为内电场E.N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------111111第3章二极管及其基本电路漂移运动电场的的方向是从正离子往负离子走。电场的作用就会促进少数载流子的运动，自由电子从低电位往髙电位走，空穴是从髙电位往底电位走，由于少子的运动很弱(数量很少)，少子的运动叫做漂移运动。内电场EN++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------121212第3章二极管及其基本电路内电场会促进少子的漂移运动，也抑制了多子的扩散运动，虽然少子的量很少，随着漂移的增强，而扩散是越来越弱，最终会达到一种平衡。此时我们在这个空间就相当于有这么一个结，这个结不是面，是一段宽度，这段宽度就叫做PN结。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------内电场(E)方向3.2.2PN结的形成131313第3章二极管及其基本电路PN结一方面阻碍多子的扩散，另一方面加速少子的漂移漂移运动扩散运动N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------141414第3章二极管及其基本电路P型半导体N型半导体扩散运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。漂移运动内电场E因为在PN结上只剩下了正负离子(正负电荷)，也可以称作空间电荷区.N区中的导电电子为了进入P区，必须克服正离子的吸引和负离子的排斥力。在粒子层建立后，PN结内的区域实际上已经耗尽了导电电子和空穴，所以PN结也称作是耗尽层。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------151515第3章二极管及其基本电路空间电荷层在P区和N区交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子。在介面上自由电子和空穴就结合了。漂移运动内电场E扩散运动N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------161616第3章二极管及其基本电路形成电位势垒势垒V0电位V电场的的方向是从髙电位往底电位走，就是从正离子往负离子走，于是N区一边的电位高于P区一边，如图所示。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------171717第3章二极管及其基本电路当扩散与漂移作用平衡时a.流过PN结的净电流为零b.PN结的厚度一定（约几个微米）c.接触电位一定（约零点几伏）N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------181818第3章二极管及其基本电路PN结形成过程动画演示191919第3章二极管及其基本电路扩散使PN结变宽，使它的内电场变强，而漂移的作用又使空间电荷区变薄，最终PN结稳定在一定的宽度.P型半导体和N型半导体一结合，在交界面上形成了稳定的电层，我们利用PN结的这个特性了解它是如何具备单向导电性.还要利用这个特性设计制造二极管和三极管。202020第3章二极管及其基本电路1.空间电荷区中没有载流子。只剩下正负离子.2.空间电荷区由于存在内电场，内电场阻碍P区中的空穴(多子)运动.由于多子很多我们称作扩散运动。促进了少子的漂移运动.，3.P区中的电子和N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。小结4.随着内电场的增强，扩散运动越来越缓慢，此时它就达到了动态平衡.212121第3章二极管及其基本电路一个PN结就是一个二极管，在平衡状态下，PN结中没有电流。PN结最重要的特性是单向导电特性。实验：PN结的导电性。按如下方式进行PN结导电性的实验，因为PN结加上封装外壳和电极引线就是二极管，所以拿一个二极管来当成PN结。P区为正极；N区为负极。对于图示的实验电路。二极管正向连接二极管反向连接3.2.3PN结的单向导电性222222第3章二极管及其基本电路仿真P此时发光二极管发光，说明PN结导电。若P区的电位高于N区，电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；PN结正向偏置——当外加直流电压使PN结P型半导体的一端的电位高于N型半导体一端的电位时（也就是允许电流流过PN结的条件），称PN结正向偏置，简称正偏。注：偏置就是指加在半导体元件上设置其工作条件的固定直流电压。232323第3章二极管及其基本电路PN结正向偏置------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E242424第3章二极管及其基本电路------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E＋－当直流电源将二极管正向偏置后，由于静电场的作用，电源的负端将N区中的导电电子推向PN结，而电源的正端也将P区中的空穴推向PN结。正向电流252525第3章二极管及其基本电路当外加的偏置电压足以克服势垒电位时，电子就有足够的能量进入耗尽层并越过PN结。与P区中空穴复合。当这些电子离开N区后，会有更多的电子从电源的负端流出。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E262626第3章二极管及其基本电路因此，导电电子（多数载流子）朝着PN结方向的移动产生了N区的电流。这些导电电子进入P区后与空穴复合，变成价电子。然后，价电子会一个一个空穴地向阳极方向移动。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E272727第3章二极管及其基本电路价电子的移动实际上产生了空穴反方向的移动。所以P区中电流是由空穴（多数载流子）朝着PN结方向移动产生的。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E282828第3章二极管及其基本电路PN结正偏动画演示外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IFPN结内的电流由起支配地位的扩散电流决定，称为正向电流。292929第3章二极管及其基本电路此时发光二极管不发光，说明PN结不导电。这个实验说明PN结（二极管）具有单向导电性。若P区的电位低于N区，电流从N区流到P区，PN结呈高阻性，所以电流小。PN结反向偏置——当外加直流电压使PN结N型半导体的一端的电位高于P型半导体一端的电位时（阻止电流流过PN结的偏置条件），称PN结反向偏置，简称反偏。仿真P2．PN结反向偏置303030第3章二极管及其基本电路PN结变宽2．PN结反向偏置反向偏置是阻止电流流过PN结的偏置条件。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E313131第3章二极管及其基本电路由于异性电荷相互吸引，电源的负端吸引P区中的空穴，而电源的正端吸引N区中的电子，使空穴和电子均远离PN结。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E323232第3章二极管及其基本电路因此，耗尽层变宽，N区中的正离子和P区中的负离子增加，直到两边的势垒差等于外加偏置电压。因此，当二极管反相偏置时，耗尽层相当于两个反相的带电离子层之间的绝缘体。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E333333