(PN結學習思維導圖)
在看接下來的内容之前,我們先看看本文的思維導圖。首先對PN結的定義及原理進行分析。了解原理之後,來分析學習它的特征,有了原理特征當然是要應用了。
1、 PN結的定義是什麼?
對于PN結的定義,首先我們看下來自于百度百科的内容:采用不同的摻雜工藝,通過擴散作用,将P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體(通常是矽或鍺)基片上,在它們的交界面就形成空間電荷區稱為PN結(英語:PN junction)。
是不是有點晦澀?學習就是要逐漸理解那些晦澀的定義,好了進入主題。我們首先拿出來一塊矽(鍺)片(本征半導體),靈光一閃我們就在這個矽片上确定一塊區域,細緻的我們打算用刀片去除這區域表面的二氧化矽層,因為他會阻擋我們摻入雜質(P型和N型雜質即雜質半導體),想了想刀片太粗魯了,于是我們使用腐蝕(fǔ shí)劑。去除表面的二氧化矽之後在1000攝氏度的高溫下,将其放在P(N)型雜質氣體中,氣體中的雜質就會向矽片上擴散形成了P型半導體,使用同樣的方法摻雜另外一種雜質。在摻雜完成之後,在P型半導體和N型半導體之間,成的一塊區域就是我們所說的PN結。
(圖片來源于網絡)
2、 PN結的原理是什麼?
1、 摻雜半導體是什麼?
P型半導體
在矽晶體中摻雜少量硼元素(或铟元素)(即我們之前提到的在PN結隻制作過程中所摻雜的雜質氣體),稱為P型半導體,
N型半導體
在矽晶體中摻雜少量(或銻元素)(即我們之前提到的在PN結隻制作過程中所摻雜的雜質氣體),稱為P型半導體,
2、 PN結是怎樣形成的?
什麼是空穴?什麼是多子什麼是少子?什麼是施主原子?什麼是受主原子?
在P型半導體中,硼原子的最外面有三個電子,而矽原子外部有4個電子,當硼摻雜入矽中以後就會形成三個共價鍵,但是硼有4個電子卻少了一個電子來形成共價鍵。比如有兩個班級一個是彭老師的班級,另一個是矽老師的班級,我們簡稱硼班和矽班,現在硼班3個同學沒有座位,矽班可以給硼班4個座位,但是分配完多出了一個位置,這個空出來的座位就被稱為空穴。這時候多出來的這個座位(空穴)就被稱為多子,多出座位缺少了學生(電子),所以這個學生就被稱為少子。這裡的矽班是把自己座位給了硼班,所以矽被稱為施主原子,硼被稱為受主原子。
在N型半導體中,磷原子最外面有5個電子,而矽原子外部有4個電子,當磷摻雜入矽中以後就會形成4個共價鍵,但是磷原子多出了一個電子。好比現在我們讓磷班和矽班合并,矽班還是需要四個學生來組合同桌,但是磷班給了5個同學,組合完同桌之後,發現多出來一個同學在那站着也沒有座位。這時候多出來的這個同學(自由電子)就被稱為多子,缺少的座位(空穴)被稱為少子。這裡的磷班是把自己的學生給了矽班,所以硼老師也被稱為施主原子(硼原子),矽班被稱為受主原子(矽原子)
下面我們就可以說PN結是怎樣形成的了,N區和P區挨的很近。N區域自由電子多空穴少,P區域空穴多自由電子少。這時候交界處N區的自由電子就會像P區擴散,而P區的空穴會向N區擴散,在交界處就形成了空間電荷區。這時候N區少了自由電子,本來平衡的電中性就會被打破,而帶正電,而P區域少了空穴因此帶負電,這時就會産生一個内電場,即從N到P的正向電壓,我們知道之前電子是從N像P擴散的,但是現在正向電壓也是從N向P,所以勢必會阻止自由電子向P擴散(規定自由電子的流動方向與電壓方向相反)。阻止的過程N的空穴流向P,P的自由電子流向N,這樣内電場減小,之前的擴散運動又加強了,反反複複最終達到平衡。
(圖片來源于網絡)
3、 PN結的特征是什麼?
1、 概述
PN結穩定之後,要想實現電流的流動必須外部施加電壓,打破内部的平衡,從而達到目的。
2、 PN結的反向擊穿性是什麼?
在N端接正向電壓,P端接負極,這樣電壓從N到P與内電場的方向一緻,内電場增強,自由電子不斷向N區域流動,空間電荷區不斷變寬,如果不做限流處理最終将導緻無法承受大量的自由電子湧入最終PN結燒毀。
3、 PN結的單向導電性是什麼?
當P接正N接負時,内電場減小,空間電荷區由于自由電子不斷從N向P擴散,空穴從P向N擴散變窄,最終自由電子進入P區不斷流出,空穴進入N區不斷流出,即導通。反之,如果N正P負,空間電荷區越來越大,越大N的自由電子和P的空穴越相互擴散,而由于外部施加了電壓内電場也在增大,兩個方向的電流相互對抗,不分彼此時不能導通,一旦外部電流過大就反向擊穿了PN結。
4、 PN結的伏安特性是什麼?
伏安特性的表達式
id——通過pn結的電流
vd——pn結兩端的外加電壓
vt——溫度的電壓當量,vt=kt/q=t/11600 = 0.026v,其中k為波耳茲曼常數(1.38×10–23j/k),t為熱力學溫度,即絕對溫度(300k),q為電荷(1.6×10–19c)。在常溫下,vt≈26mv。
e——自然對數的底
is——反向飽和電流,對于分立器件,其典型值為10-8~10-14a的範圍内。中pn結,其is值則更小.
當vd>;>;0,且vd>vt時,;
當vd<0,且時,id≈–is≈0。
由此可看出pn結的單向導電性
5、 PN結的電容特性是什麼?
兩個相互靠近的導體,中間夾一層不導電的絕緣介質,這就構成了電容器。當加反電壓時P區、空間電荷區、N區就形成了一個電容器。施加電壓的大小會影響空間電荷區的寬窄,因此電壓的大小會影響電容的大小。
4、 PN結有什麼應用?
利用單向導電性,我們可以作為防止電流反向流動使用,因為反向電壓擊穿後電壓不變所以做穩壓二極管使用,根據電容特性可以做變容二極管使用。
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