半导体和PN结

模电:半导体和PN结

半导体(semi-conductor),是指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,而硅是在商业应用上最具有影响力的一种。

  • 本征半导体
    纯净不含杂质的半导体,称为本征半导体。
    以硅晶体结构为例:

    半导体和PN结_第1张图片
    硅晶体共价键结构

    硅是+4价原子,外部有4个电子。硅晶体内部形成一个网状结构,每两个硅原子之间都有2个电子组成共价键。
     
    我们知道,水流大小是由水分子的移动形成的,水是水流的载流子;同样,带电荷的可移动粒子是电流的载流子。由于受到共价键的束缚,原子核(带正电荷)和电子(带负电荷)都不可移动的,所以硅的导电性能比较差。
     
    硅晶体的共价键并不是非常坚固,由于受到温度、光、磁等能量的激发作用,极少的电子获得足够的能量,可以摆脱共价键的束缚,带负电荷的电子便可以移动了,支持了电流的形成。这个电子离开原子后,共价键就少了一个电子,留下一个空位置(我们称为空穴),该原子同时变成了带正电荷的离子。因为这种带正电荷的离子都有一个空穴,我们不如将空穴视为带正电荷的“粒子”(实际上空穴不是粒子,但是原子有空穴,就代表此处有正电荷)。
     
    这种由于热激发产生了一对“自由电子”和“空穴”的过程,称为本征激发。自由电子带负电荷,空穴带正电荷。自由电子和空穴都是半导体的载流子。
    同理,自由电子和空穴也可以复合。

  • 杂质半导体
    掺入杂质的半导体称为杂质半导体。
    由于本征导电性能差,如果参入+5价或者+3价的原子,可以大大提高其导电性能。
    比如,掺入+5价的磷原子后,磷的4个电子和周围4个硅原子形成共价键,还剩有1个电子,由于不受共价键束缚可以自由移动,这种杂质半导体称为N型半导体。N代表负极性Negetive,由于引入了1个自由电子,所以称为N型半导体。
    同理,掺入+3价的硼原子后,硼的3个电子和周围4个硅原子形成共价键的话,会出现一个空穴,这种杂质半导体称为P型半导体。P代表正极性Positive。

    半导体和PN结_第2张图片

  • PN结
    将P型半导体和N型半导体放在一起后,在它们的接触面会形成PN结。
    PN结最显著的特点是:电流单向导通。
    我们都在初中物理中都学过扩散原理。由于浓度不均匀而产生的粒子定向运动,叫做扩散
    当把P型半导体和N型半导体结合在一起后,虽然原子受共价键作用不能移动,但是空穴和自由电子是可以移动的。于是,在接触面附近的电子和空穴会向对方区域移动而复合消失。

    半导体和PN结_第3张图片
    扩散运动

     
    在接触面附近,失去电子和空穴的原子变成了带电离子,但由于共价键束缚不可移动,便形成了一个内部电场。
    半导体和PN结_第4张图片
    内电场形成

    这个内电场形成后,反过来又阻止扩散运动。最后会达到一个动态的平衡。中间这个内电场区域,因为只有离子也叫空间电荷区。内电场形成的电势阻止了电子和空穴的扩散、复合,在PN之间形成了一道壁垒,所以又称为势垒区。这就是PN结的形成过程。
    提一下,由于内电场的作用,使载流子产生的运动,叫做漂移运动。PN结内,漂移运动方向和扩散运动是相反的。

  • PN结的特点
    PN结最显著的特点是:电流正向导通,反向截止。
     
    给PN结外加正向电压时,我们称为正向偏置,简称正偏
    正偏状态下,外加的电场会削弱内电场的壁垒作用,空间电荷区变窄,电子和空穴穿越空间电荷区会容易些。在外电场的持续作用下,便可以形成持续的电流。外电场越大,电流越大。

    半导体和PN结_第5张图片
    PN结正偏导通

     
    给PN结外加反向电压时,我们称为反向偏置,简称反偏
    反偏状态下,外加的电场会增强内电场的壁垒作用,空间电荷区变宽,电子和空穴更加难以进入空间电荷区,不能形成持续的电流。
    半导体和PN结_第6张图片
    PN结反偏截止

����PN结形成过程:
▼浓度不均->扩散运动->PN中间,电子空穴复合消失
▼离子不能移动->空间电荷区->内电场->漂移运动,阻止扩散->动态平衡,形成PN结

您的支持是作者继续创作的动力,打赏作者

你可能感兴趣的:(半导体和PN结)