最新PN结及半导体基础知识资料Word格式.docx
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原子核带有正电荷.电子带有负电荷;
正电荷的数量刚好和全部电子的负电荷数量相等,所以在平时锗原子是中性的。
电子围绕原子核运动,和地球围绕太阳远行相似。
在核的引力作用下,电子分成几层按完全确定的轨道运行,而且各层所能容纳的电子数日也有一定规律。
如图所示:
在锗原子核周围的32个电子组成四层环,围绕原子核运动。
从里往外数,第一层环上有2个电子,其余依次为8、18、4个电子。
凡是环上的电子数为2、8、18时.这些环上的电子总是比较稳定的。
若环上的电子数不等于以上各数时,这些环上的电子总是不太稳定。
因此,锗原子结构中,第一、二、三层的电于是稳定的,只有第四层(即最外一“层)的4个电于是不稳定的。
因最外一层的电子没有填满到规定的数目。
我们把最外一层的电子叫做价电子。
一般来说,最外层有几个价电子,其原子价就为几。
锗的最外层有4个价电子,所以锗的原子价为4。
受外界作用,环上的电子可以克服原子核的吸引力而脱离原子,自由活动成为自由电子。
这些自由电子在电场力的作用下,产生空间运动,就形成了电流。
可以想像,由于最外层的价电子离核比较远,所受引力最小,所以最容易受外界影响而形成自由电子。
因此,从导电性能看,价电子是很重要的。
我们所说的锗元素就是依靠它最外层的4个价电子进行导电的。
锗晶体内的原子很整齐的排列着。
各个原子间有相互排斥的力量,而每个原子除了吸引自己的价电子外,还吸引相邻原子的价电子。
因此,两个相邻原子的价电子便成对地存在。
这一对电子同时受这两个原子核的吸引,为它们所“共有”。
这两个相邻原子也通过这个电子对被联系在一起。
这样,电子对就好像起了键(联结)的作用,我们叫它共价键。
每一个锗原子以其4个价电子与其他4个锗原子的价电子组成4个共价键而达到稳定状态。
在理想情况下,锗晶体中所有的价电子都织成了电子对,因此没有自由电子,这时锗晶体是不易导电的。
但在外力作用下,如受温度变化,其中可能会有一个价电子脱离键的束缚,挣脱共价键而跳出来,成为自由电子。
这时共价键中出现了一个空位,我们把这个空位叫做空穴。
由于原子本身正电荷和负电荷相等,故原子失去了电子后,整个原子就带正电荷,称为正离子。
正离子容易吸引相邻原子的价电子来填补,电子离开后所留下的空位,使相邻原子中又出现空穴,而这个新出现的空穴,又可能为别的电子去填充。
电子这样不断地填充空穴,就使空穴的位置不断地在原子问转移。
空穴的转移,实际上也是电子(电荷)的运动,所以也就形成电流,这叫做空穴流。
而原来失去的屯子,在晶体中运动,形成了电子流。
为了便于叙述,今后就认为空穴在运动,而且把它当作一个正电荷来看(实际上是空穴所在的原子呈现一个单位正电荷的电量)。
由于空穴和电子都带有电荷,它们的运动都形成电流,所以就统称它们为载流子。
一块不含有杂质的、品格完整的半导体叫做本征半导体。
因为它品格完整,如果有一个电子从共价键中释放出来,必定留下一个空众。
所以本征半导体中电子和空众总是成对地出现,它们的数日相等,称为电子一空穴对。
在常温下,由于热运动的结果,在本征半导体中会产生一定数量的电子一空穴对,形成电子流和空穴流,总的电流是两者之和。
如没有外界电场作用,电子和空穴的这种运动是杂乱无章的,电子流和空穴流方向也是不定的,结果互相抵消,没有净电流出现。
但在电场作用下,这种半导体两端就出现电压,电子向正端方向运动,空穴向负端方向运动,形成了定向电流,半导体内就产生电流了。
本征半导体因电场作用而产生的导电现象就叫本征导电。
通常,我们很少见到本征半导体,大多遇到的都是P型半导体或N型半导体。
前面说过,半导体中加进了杂质,电阻率就大大降低。
这是因为加进杂质后,空穴和电子的数目会大大增加。
例如,在锗晶休中掺入很少一点三价元素铟,由于铟的价电子只有三个,渗入锗晶体后,它的三个价电子分别和相邻的三个锗原子的价电子组成共价键,而对相邻的第四个锗原子,它没有电于拿出来和这个锗原子“共有”了,这就留下了一个空穴(见图1一3(c))。
因为掺入了少量的杂质铟,就会出现很多空穴;
这是因为即使是少量的,里面含有的原子数目却不少。
杂质半导体中空穴和电子数目不相等,在电场作用下,空穴导电是主要的,所以叫空穴型半导体或者说是P型半导体。
换句话说,P型或空穴型半导体内是有剩余空穴的,掺入的杂质提供了剩余空穴。
在P型半导体中,空穴是多数,所以称空穴为多数载流子;
电子数目少,就叫少数裁流子。
渗入的杂质能产生空穴接受电子,我们叫这种杂质为受主杂质。
如果把五价元素砷掺入锗晶体中,砷原子中有5个价电于,它和四个锗原子的价电子组成共价键后,留下一个剩余电子,这个剩余电子就在晶体中到处游荡,在外电场作用下形成定向电子流。
掺入少量的砷杂质就会产生大量的剩余电子,所以称这种半导体为电子型半导体或N型半导体。
在这种半导体中有剩余电子,这时电子是多数载流子,而空穴是少数载流子。
因为砷是施给剩余电子的杂质,所以叫做施主杂质。
如果没有外电场的作用,不论N型或P型半导体,它们的载流子运动是无规则的,因此,不会形成电流
把一块P型半导休和N型半导体紧密联接在一起时(实际上只能用化学方法将两个原来独立的锗片合在一起).就会发现一个奇怪的现象,即在它们的两端加上适当的电压时,会产生单向导电观象。
因为这时在它们的交界面上形成了一个所谓P—N结的结构,单向导电现象就发生在这一薄薄的P—N结中。
P—N结是晶体管的基础,它是由扩散形成的。
我们知道,P型半导体内空穴是多数载流子,即空穴的浓度大;
而N型半导体内电子是多数载流予,电子的浓度大。
二者接触之后,由于在P型区和N型区内电子浓度不同,N型区的电子多,就向P型区扩散,扩散的结果如图1—4(b)所示。
N型区薄层I中部分电子扩散到P型区去,薄层I便因失去电于而带正电。
另一方面,P型区的空穴多,也会向空穴浓度小的N型区扩散,结果一部分空穴从薄层I向P(型区扩散,使薄层Ⅱ带负电。
电于和空穴的扩散是同时进行的,总的结果,P型区薄层Ⅱ流走了空灾,流进了电子,所以带负电,而N型区的薄层I流走了电子,流进了空穴,因而带正电,而且随着扩散现象的继续进行,薄层逐渐变厚,所带的电量也逐渐增加。
不过,这种扩散现象不会无休止的进行下去;
当扩散进行到一定程度后,薄层Ⅱ带了很多负电,从N型区向P型区扩散的电子总数因电子受到它的排斥不再继续增加;
同样道理,从P型区向N型区扩散的空灾总数也不再增加。
于是扩散似乎不再继续,而达到所谓“动态平衡状态”。
这时P—N结也就形成了。
所谓P—N结,就是指薄层I和Ⅱ所构成的带电结构。
因为它能阻止电子和空穴的继续扩散,所以也叫阻挡层。
它们之间的电位差一般称势垒或位垒。
我们用图来阐明P—N结的单向导电性能。
依照图示方法,将P型区接电池正极,N型区接负极。
向右调动电位器,使加到P—N结构端的电压逐颓增高,就会发现:
当电压表读数增高时,电流表的读数也随之增大。
此时,P—N结的电阻很小,这种接法叫正向联结。
若反过来,把P型区接电池负极,而N型区接正极,这时我们会发现:
把电压增高到几十伏,电流的指示只有几个或几十个微安,此时P—N结的电阻很大,反向电流很快就达到饱和不再增加了。
这说明电流只能沿着一个方向流过P—N结,这个现象就叫做单向导电。
单向导电现象可以这样来解释;
因为在P型区接电池正极而N型区接负极时,外加电压的方向刚好和P—N结势垒电压的方向相反,使薄层Ⅱ带的负电量和薄层I带的正电量减少,因此削弱了P—N结的势垒,于是在正电压的作用下,电子和空穴的扩散又可进行,N型区的电子不断跑到P型区,P型区的空穴也不断跑到N型区,正向电流也就产生了。
而且,正向电压加得越高,P—N结势垒削弱得越厉害,扩散也就越容易进行,正向电流也就越大。
当P—N结和电池反向连接时,外加电压起着增强P—N结势垒的作用,使薄层Ⅱ带的负电荷和薄层I带的正电荷增加,扩散更无法进行。
这时只有P型区的少数教流子一电子和N型区的少数我流子一空穴,受外加电压作用形成微弱的反向电流。
而少数栽流子的数目不多,所以在反向电压只有零点几伏时,反向电流就达到饱和了。
P—N结还有一个十分重耍的特性,即所谓反向击穿电压。
当所加反向电压大到一定数值时,P—N结电阻会突然变得很小,反向电流会骤然增大,而且是无限地增大。
这种现象叫P—N结的反向击穿。
开始击穿时的电压数值叫反向击穿电压。
它直接限制了P—N结用做整流和检波时的工作电压。
总之,一个简单的P—N结具有单向导电的特性,半导体收音机正是利用这一特性来进行整流和检波的。
半导体二极管就是根据这一原理制成的。
PN结
PN结(PNjunction)
采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用,将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。
PN结具有单向导电性。
P是positive的缩写,N是negative的缩写,表明正荷子与负荷子起作用的特点。
一块单晶半导体中,一部分掺有受主杂质是P型半导体,另一部分掺有施主杂质是N型半导体时,P型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。
PN结有同质结和异质结两种。
用同一种半导体材料制成的PN结叫同质结,由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。
制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。
制造异质结通常采用外延生长法。
P型半导体(P指positive,带正电的):
由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成,会在半导体内部形成带正电的空穴;
N型半导体(N指negative,带负电的):
由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成,会在半导体内部形成带负电的自由电子。
在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。
在电场的作用下,空穴是可以移动的,而电离杂质(离子)是固定不动的。
N型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。
当P型和N型半导体接触时,在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散,电子从N型半导体向P型半导体扩散。
空穴和电子相遇而复合,载流子消失。
因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子,却有分布在空间的带电的固定离子,称为空间电荷区。
P型半导体一边的空间电荷是负离子,N型半导体一边的空间电荷是正离子。
正负离子在界面附近产生电场,这电场阻止载流子进一步扩散,达到平衡。
在PN结上外加一电压,如果P型一边接正极,N型一边接负极,电流便从P型一边流向N型一边,空穴和电子都向界面运动,使空间电荷区变窄,电流可以顺利通过。
如果N型一边接外加电压的正极,P型一边接负极,则空穴和电子都向远离界面的方向运动,使空间电荷区变宽,电流不能流过。
这就是PN结的单向导电性。
PN结加反向电压时,空间电荷区变宽,区中电场增强。
反向电压增大到一定程度时,反向电流将突然增大。
如果外电路不能限制电流,则电流会大到将PN结烧毁。
反向电流突然增大时的电压称击穿电压。
基本的击穿机构有两种,即隧道击穿(也叫齐纳击穿)和雪崩击穿,前者击穿电压小于6V,有负的温度系数,后者击穿电压大于6V,有正的温度系数。
PN结加反向电压时,空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。
它的电容量随外加电压改变。
根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同,利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。
如利用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管,利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管;
利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管;
利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管。
使半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。
如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管;
利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器;
利用光生伏特效应可制成太阳电池。
此外,利用两个 PN结之间的相互作用可以产生放大,振荡等多种电子功能。
PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心,是现代电子技术的基础。
在二级管中广泛应用。
PN结的平衡态,是指PN结内的温度均匀、稳定,没有外加电场、外加磁场、光照和辐射等外界因素的作用,宏观上达到稳定的平衡状态.
PN结的形成
在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。
此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:
因浓度差 ↓ 多子的扩散运动&
reg;
由杂质离子形成空间电荷区 ↓ 空间电荷区形成形成内电场 ↓↓ 内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
在P型半导体和N型半导体的结合面两侧,留下离子薄层,这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。
PN结的内电场方向由N区指向P区。
在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。
PN结形成的过程可参阅图01.06。
图01.06PN结的形成过程(动画1-3)如打不开点这儿(压缩后的)
PN结的单向导电性
PN结具有单向导电性,若外加电压使电流从P区流到N区,PN结呈低阻性,所以电流大;
反之是高阻性,电流小。
如果外加电压使:
PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压,简称正偏;
PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压,简称反偏。
(1)PN结加正向电压时的导电情况 PN结加正向电压时的导电情况如图01.07所示。
外加的正向电压有一部分降落在PN结区,方向与PN结内电场方向相反,削弱了内电场。
于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱,扩散电流加大。
扩散电流远大于漂移电流,可忽略漂移电流的影响,PN结呈现低阻性。
图01.07PN结加正向电压时的导电情况(动画1-4),如打不开点这儿(压缩后的)
(2)PN结加反向电压时的导电情况 PN结加反向电压时的导电情况如图01.08所示。
外加的反向电压有一部分降落在PN结区,方向与PN结内电场方向相同,加强了内电场。
内电场对多子扩散运动的阻碍增强,扩散电流大大减小。
此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流,可忽略扩散电流,PN结呈现高阻性。
在一定的温度条件下,由本征激发决定的少子浓度是一定的,故少子形成的漂移电流是恒定的,基本上与所加反向电压的大小无关,这个电流也称为反向饱和电流。
PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流;
PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流。
由此可以得出结论:
图01.08PN结加反向电压时的导电情况(动画1-5),如打不开点这儿(压缩后的)
PN结的电容效应
PN结具有一定的电容效应,它由两方面的因素决定。
一是势垒电容CB,二是扩散电容CD。
(1)势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。
当外加电压使PN结上压降发生变化时,离子薄层的厚度也相应地随之改变,这相当PN结中存储的电荷量也随之变化,犹如电容的充放电。
势垒电容的示意图见图01.09。
图01.09势垒电容示意图
(2)扩散电容CD 扩散电容是由多子扩散后,在PN结的另一侧面积累而形成的。
因PN结正偏时,由N区扩散到P区的电子,与外电源提供的空穴相复合,形成正向电流。
刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近,形成一定的多子浓度梯度分布曲线。
反之,由P区扩散到N区的空穴,在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。
扩散电容的示意图如图01.10所示。
当外加正向电压不同时,扩散电流即外电路电流的大小也就不同。
所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同,这就相当电容的充放电过程。
势垒电容和扩散电容均是非线性电容。
PN结的击穿特性:
当反向电压增大到一定值时,PN结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增加,这种现象称为PN结的击穿,反向电流急剧增加时所对应的电压称为反向击穿电压,如上图所示,PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种。
1、雪崩击穿
阻挡层中的载流子漂移速度随内部电场的增强而相应加快到一定程度时,其动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来,产生自由电子—空穴对新产生的载流子在强电场作用下,再去碰撞其它中性原子,又产生新的自由电子—空穴对,如此连锁反应,使阻挡层中的载流子数量急 剧增加,象雪崩一样。
雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中,阻挡层宽,碰撞电离的机会较多,雪崩击穿的击穿电压高。
2、齐纳击穿
当PN结两边掺杂浓度很高时,阻挡层很薄,不易产生碰撞电离,但当加不大的反向电压时,阻挡层中的电场很强,足以把中性原子中的价电子直接从共价键中拉出来,产生新的自由电子—空穴对,这个过程称为场致激发。
一般击穿电压在6V以下是齐纳击穿,在6V以上是雪崩击穿。
3、击穿电压的温度特性
温度升高后,晶格振动加剧,致使载流子运动的平均自由路程缩短,碰撞前动能减小,必须加大反向电压才能发生雪崩击穿具有正的温度系数,但温度升高,共价键中的价电子能量状态高,从而齐纳击穿电压随温度升高而降低,具有负的温度系数。
6V左右两种击穿将会同时发生,击穿电压的温度系数趋于零。
4、稳压二极管
PN结一旦击穿后,尽管反向电流急剧变化,但其端电压几乎不变(近似为V(BR),只要限制它的反向电流,PN结就不会烧坏,利用这一特性可制成稳压二极管,其电路符号及伏 安特性如上图所示:
其主要参数有:
VZ、Izmin、Iz、Izmax
PN结的电容特性:
情感性手工艺品。
不少人把自制的手机挂坠作为礼物送给亲人朋友,不仅特别,还很有心思。
每逢情人节、母亲节等节假日,顾客特别多。
PN结除具有非线性电阻特性外,还具有非线性电容特性,主要有势垒电容和扩散电容。
5、就业机会和问题分析1、势垒电容
势垒区类似平板电容器,其交界两侧存储着数值相等极性相反的离子电荷,电荷量随外加电压而变化,称为势垒电容,用CT表示。
CT=-dQ/dV PN结有突变结和缓变结,现考虑突变结情况(缓变结参见《晶体管原理》),PN结相当于平板电容器,虽然外加电场会使势垒区变宽或变窄但这个变化比较小可以忽略, 则CT=εS/L,已知动态平衡下阻挡层的宽度L0,代入上式可得:
(3)优惠多CT不是恒值,而是随V而变化,利用该特性可制作变容二极管。
中式饰品风格的饰品绝对不拒绝采用金属,而且珠子的种类也更加多样。
五光十色的水晶珠、仿古雅致的嵌丝珐琅珠、充满贵族气息的景泰蓝珠、粗糙前卫的金属字母珠片的材质也多种多样。
2、扩散电容
多子在扩散过程中越过PN结成为另一方的少子,当PN结处于平衡状态(无外加电压)时的少子称为平衡少子可以认为阻挡层以外的区域内平衡少子浓度各处是一样的,当PN结处于正向偏置时,N区的多子自由电子扩散到P区成为P区的非平衡少子,由于浓度差异还会向P区深处扩散,距交界面越远,非平衡少子浓度越低,其分布曲线见[PN结的伏安特性]。
当外加正向电压增大时,浓度分布曲线上移,两边非平衡少子浓度增加即电荷量增加,为了维持电中性,中性区内的非平衡多子浓度也相应增加,这就是说,当外加电压增加时,P区和N区各自存储的空穴和自由电子电荷量也增加,这种效应相当于在PN结上并联一个电容,由于它是载流子扩散引起的,故称之为扩散电容CD,由半导体物理推导得CD=(I+Is)τp/VT推导过程参见《晶体管原理》。
当外加反向电压时I=Is,CD趋于零。
(四)DIY手工艺品的“个性化”3、PN结电容
6、你购买DIY手工艺制品的目的有那些?
PN结的总电容Cj为CT和CD两者之和Cj=CT+CD,外加正向电压CD很大,Cj以扩散电容为主(几十pF到几千pF),外加反向电压CD趋于零,Cj以势垒电容为主(几pF到几十pF到)。
4、变容二极管
PN结反偏时,反向电流很小,近似开路,因此是一个主要由势垒电容构成的较理想的电容器件,且其增量电容值随外加电压而变化利用该特性可制作变容二极管,变容二极管在非线性电路中应用较广泛,如压控振荡器、频率调制等。
(二)创业弱势分析pn结的工作原理
1.2.1PN结的形成
在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。
因浓度差
↓
多子的扩散运动®
由杂质离子形成空间电荷区
↓
空间电荷区形成形成内电场
↓↓
内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
秘诀:
好市口+个性经营图01.06PN结的形成过程(动画1-3)如打不开点这儿(压缩后的)
十几年的学校教育让我们大学生掌握了足够的科学文化知识,深韵的文化底子为我们创业奠定了一定的基础。
特别是在大学期间,我们学到的不单单是书本知识,假期的打工经验也帮了大忙。
1.2.2PN结的单向导电性
PN结具有单向导电性,若外加电压使电流从P区流到N区,PN结呈低阻性,所以电流大;
如果外加电压使:
PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压,简称正偏;
PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压,简称反偏。
(1)PN结加正向电压时的导电情况
PN结加正向电压时的导电情况如图01.07所示。
外加的正向电压有一部分降落在PN结区,方向与PN结内电场方向相反,削弱了内电场。
于是,内电场对多子扩散运
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