對PN結(jié)及其單向?qū)щ娦缘难芯?/h1>

2020-06-11 13:46:12郭澤宇

電子技術與軟件工程訂閱 2020年3期 收藏

郭澤宇

（河南大學國際教育學院 河南省開封市 475004）

原子的結(jié)構(gòu)決定了物質(zhì)的導電性能，其導電性能又決定了該物質(zhì)在電子技術中的應用。一些低價金屬如銅，鋁，他們的最外層電子很容易掙脫原子核的束縛，而稱為自由電子，在外部電場的作用下定向移動，形成電流，一般用作導體。反之，高價元素（如惰性氣體）或高分子物質(zhì)（如橡膠）它們的外層電子不易掙脫，它們的導電性能就比較差，成為絕緣體。而常見的半導體材料（如硅）的導電性能不如低價金屬那么好，也不如高價元素、高分子物質(zhì)那么差。

1 PN結(jié)的概念

將純凈的半導體經(jīng)過一定的工藝過程制成單晶體，即為本征半導體。

相鄰的兩個原子之間最外層電子相互共用，為共價鍵，在如圖1中這樣每一個原子都占據(jù)一個位置，相互“牽著手”構(gòu)成非常穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，但是也不是每一個最外層電子都老老實實的待在自己的那個共價鍵內(nèi)，有些“調(diào)皮”的電子就會由于熱運動而具有足夠的能量掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子。與此同時，在共價鍵中留下一個位置，成為空穴。所以在本征半導體內(nèi)自由電子數(shù)目和空穴數(shù)目是相同的。而且其數(shù)目會隨溫度等因素的變化而變化，即其導電性能會隨外界因素變化而變化。

通過擴散工藝，我們可以在半導體內(nèi)摻雜一些雜質(zhì)從而改變其結(jié)構(gòu)和性能，比如摻雜一些五價元素（如磷），一些磷原子就會取代一些硅原子，由于磷為五價，其最外層四個電子與其他原子形成共價鍵，多出來一個電子只需一點能量就可以成為自由電子。所以這樣的半導體中自由電子多于空穴，稱之為N型半導體。若摻入三價元素，如硼元素，相反，此時的半導體中空穴數(shù)目多于自由電子數(shù)目，形成P型半導體。

若在同一塊半導體兩邊分別摻入三價和五價元素，則該半導體一邊為P區(qū)，另一邊為N區(qū)，其中的空穴和自由電子就會如圖2所示方向 N區(qū)自由電子向P區(qū)運動，P區(qū)空穴向N區(qū)運動，所以在交界面處存在自由電子和空穴的復合，使得交界面處P區(qū)空穴濃度和N區(qū)自由電子濃度均有下降，中間就會形成電荷區(qū)，稱之為空間電荷區(qū)如圖3所示。

這樣就會形成一個電場，阻止這種擴散運動的發(fā)生。同時，電場也會產(chǎn)生一種與擴散運動相反的運動，漂移運動。這兩種運動會不斷地進行，但是當參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同就會達到動態(tài)平衡，形成PN結(jié)。

2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/h2>

PN結(jié)具有一種特殊的導電性，利用這種導電性就可以構(gòu)成各種各樣的半導體器件，這種導電性被稱為單向?qū)щ娦浴?/p>

圖1：本征半導體中的自由電子和空穴

圖2：多數(shù)載流子的擴散運動

圖3：平衡狀態(tài)下的PN結(jié)

當PN結(jié)如圖4所示，加正向電壓時，P區(qū)直接接在電源的正端，N區(qū)通過一個電阻接在電源的負端，這時外電場的作用是削弱內(nèi)電場的，有利于擴散運動而削弱漂移運動，這種擴散運動由于電源的存在會源源不斷地形成了“流”，即電流。所以在加正向電壓時PN結(jié)導通：耗盡層變窄，內(nèi)部電場變?nèi)酰瑪U散運動加劇，形成擴散電流。

若相反，N區(qū)通過一個電阻接在電源的正端，P區(qū)直接接在電源的負端，這樣外電場和內(nèi)電場方向一致，會使得空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電廠加強，加劇漂移運動。由于外部電場作用，漂移運動源源不斷地進行，形成漂移電流，而漂移運動是少數(shù)載流子的運動，少數(shù)載流子數(shù)目非常少，所以反向電流非常小，故可近似認為其截止。如圖5所示。

圖4：PN結(jié)加正向電壓時導通

圖5：PN結(jié)加反向電壓時截止

3 二極管的伏安特性及電流方程

3.1 由實驗得出并分析二極管的伏安特性

將PN結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。

如圖6（a）所示，接一個這樣的電路就可以測出二極管的伏安特性[3]。做出其伏安特性曲線如圖6（b）所示。

首先，加正向電壓時，并不是一旦有電壓，電路就會導通。因為一方面二極管在引出電極的時候會存在較小的電阻，另一個重要的原因在于PN結(jié)，PN結(jié)在動態(tài)平衡的時候是多數(shù)載流子的擴散運動，和少數(shù)載流子的漂移運動達到平衡，所以要是擴散運動源源不斷地進行，外加電場一定要克服內(nèi)電場的作用。只有電壓達到一定程度的時候，二極管才有電流通過。使得二極管導通的電壓就是二極管的開啟電壓。如果電壓再大的話，電流就會呈指數(shù)增長。

如果加反向電壓的話，電壓小的時候電流會隨電壓的增大而增大，而反向電壓的值達到一定程度的時候，電流就會幾乎不變。因為當增大反向電壓，增強內(nèi)部電場的時候，剛開始參與漂移運動的少數(shù)載流子的數(shù)目會隨電壓的增大而增大，但是少數(shù)載流子的數(shù)目是有限的，當外加電壓達到一定程度的時候，幾乎全部的載流子都參與了漂移運動，這時候外部電壓再增大，電流就幾乎不變了。此時的電流就是反向飽和電流。但如果反向電壓大到一定程度，就會破壞PN結(jié)的結(jié)構(gòu)，此時價電子都會掙脫共價鍵的束縛，成為自由的，形成電流。

圖6：測量二極管伏安特性電路圖及伏安特性曲線

3.2 電流方程

由理論分析[1，2]可知，PN結(jié)所加端電壓u與流過它的電流i的關系為：

式中IS為反向飽和電流，q為電子的電量，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度，將式（1）中的kT/q用UT取代，則得

常溫下，即T=300K時，，稱UT為溫度的電壓當量。

4 結(jié)束語

常見的半導體材料（如硅）內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較特殊，所以導電性能也比較特殊，可摻雜雜質(zhì)或光照、熱輻射使其導電性可控。這些特殊的性質(zhì)就決定了半導體可以制成各種電子器件。

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