PN結(jié)的單向?qū)щ娦约捌浞治?/h1>
2017-07-05 13:44:46高俊杰
電子技術(shù)與軟件工程 2017年12期
高俊杰
摘 要本文意在從本質(zhì)上揭示PN結(jié)的導(dǎo)電機(jī)理，換種思路理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴Ｕ页鲆?guī)律在于化繁為簡(jiǎn)，本文若被認(rèn)可也許能夠建立起一種更為簡(jiǎn)單的PN結(jié)模型。
【關(guān)鍵詞】微小的間隙 接觸電阻 接觸電動(dòng)勢(shì) 單向?qū)щ?/p>
1 前言
提起PN結(jié)，大家都知道它具有正向?qū)?、反向截止的特性，但PN結(jié)為何具有單向?qū)щ娦阅?？這個(gè)問(wèn)題就復(fù)雜了，現(xiàn)在比較流行的是引入一個(gè)“空間電荷區(qū)”的概念來(lái)解釋的，這就需要從PN結(jié)的構(gòu)造說(shuō)起。
2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>
半導(dǎo)體具有摻雜性，P型和N型半導(dǎo)體就是利用在本征半導(dǎo)體也就是純凈的半導(dǎo)體中摻入不同價(jià)位的雜質(zhì)元素而形成的。P型也叫空穴型半導(dǎo)體，它是在硅、鍺等4價(jià)元素中摻入3價(jià)的硼、鋁等受主雜質(zhì)，在其共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中缺少1個(gè)電子而形成空穴（見(jiàn)圖1）。N型半導(dǎo)體則在硅、鍺等4價(jià)元素中摻入5價(jià)的施主雜質(zhì)磷、銻等，這時(shí)就會(huì)在共價(jià)鍵中多出一個(gè)電子而形成自由電子（見(jiàn)圖2），因此半導(dǎo)體就具有了兩種載流子——電子和空穴對(duì)。在P型半導(dǎo)體中空穴是多子、電子是少子；N型半導(dǎo)體則相反，電子是多子、空穴是少子。
如果通過(guò)光刻和雜質(zhì)擴(kuò)散等方法就能將一塊半導(dǎo)體分成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體兩部分，它們之間就是一個(gè)PN結(jié)。它是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，其實(shí)一個(gè)二極管就是一個(gè)PN結(jié)。那么PN結(jié)是怎么具有單向?qū)щ娦缘哪兀?/p>
通常的說(shuō)法是在不加外電壓時(shí)，這個(gè)PN結(jié)中P區(qū)的多子是空穴，N區(qū)的多子是電子（通常只考慮多子），因?yàn)闈舛炔睿d流子必然向濃度低的方向擴(kuò)散。在擴(kuò)散前，P區(qū)與N區(qū)的正負(fù)電荷是相等的，呈電中性。當(dāng)P區(qū)空穴向N區(qū)移動(dòng)時(shí)，就在PN結(jié)邊界處留下了不能移動(dòng)的負(fù)離子，用帶藍(lán)圈的負(fù)電荷表示； 當(dāng)N區(qū)自由電子向P區(qū)移動(dòng)時(shí)， 就在PN結(jié)邊界處留下了不能移動(dòng)的正離子，用帶紅圈的正電荷表示，這樣就在空間電荷區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)Upn，電場(chǎng)的方向是由N區(qū)指向P區(qū)的。在擴(kuò)散作用下隨著Upn增大，載流子受到電場(chǎng)力Upn的作用而做漂移運(yùn)動(dòng)，它的方向與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相反，最終使載流子擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成了空間電荷區(qū)，如圖3所示。
當(dāng)外加正向偏壓時(shí)，電源E提供大量的空穴和電子，E的電場(chǎng)方向與Upn的電場(chǎng)方向相反，空間電荷區(qū)被兩種載流子復(fù)合而消弱變窄，載流子容易通過(guò)擴(kuò)散加強(qiáng)，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)。
當(dāng)外加反向偏壓時(shí)，它的電場(chǎng)方向與Upn的電場(chǎng)方向一致，空間電荷區(qū)被增厚變寬，載流子不易通過(guò)擴(kuò)散減弱，呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。此時(shí)僅有兩側(cè)的少子，也就是N區(qū)的空穴和P區(qū)的電子在Upn電場(chǎng)力作用下做漂移運(yùn)動(dòng)，形成較小的反向飽和電流IS，直至擊穿為止，其電流按二極管方程規(guī)律變化，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦栽怼?/p>
在“空間電荷區(qū)”的概念里認(rèn)為空穴和電子是可以自由移動(dòng)的， PN結(jié)兩側(cè)的正負(fù)離子是不能移動(dòng)的，“空間電荷區(qū)”的厚度決定了通過(guò)PN結(jié)電流的大小。但如果把“空間電荷區(qū)”看作是一個(gè)“微小的間隙”，即把它等效為一個(gè)接觸電阻，可能就更容易理解，更能反映PN結(jié)的單向?qū)щ娦詫?shí)質(zhì)了。我們知道當(dāng)電源E一定時(shí)，電流I的大小主要取決于導(dǎo)線(xiàn)電阻中能夠參與導(dǎo)電的載流子的多少，而在整個(gè)回路中PN結(jié)相對(duì)于其它導(dǎo)體原件能夠參與導(dǎo)電的載流子最少，也就像一道閘門(mén)，它的微小間距也就是它的接觸電阻決定了回路主要電流的大小。當(dāng)PN結(jié)間隙小時(shí)接觸緊密，接觸電阻小；當(dāng)PN結(jié)間隙大時(shí)接觸不緊密，接觸電阻大，因此PN結(jié)邊界處的接觸電阻是PN結(jié)導(dǎo)電的關(guān)鍵。
那么，PN結(jié)邊界處的接觸電阻又與誰(shuí)有關(guān)呢？我們知道由于摻雜的原因，P區(qū)產(chǎn)生的空穴與N區(qū)產(chǎn)生的電子一定會(huì)相互吸引，它們必然向PN結(jié)邊界聚集，形成如圖4所示的接觸電動(dòng)勢(shì)Epn。
當(dāng)沒(méi)有外加電壓時(shí)，載流子要想通過(guò)PN結(jié)，就必須獲得足夠的能量，因此只有少部分高能的載流子才能夠穿過(guò)PN結(jié)與之復(fù)合，不能復(fù)合的空穴和電子就形成了一個(gè)由P區(qū)指向N區(qū)的接觸電動(dòng)勢(shì)，其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)具有電源性質(zhì)的接觸電動(dòng)勢(shì)Epn，它與Upn方向相反。接觸電動(dòng)勢(shì)Epn的存在是載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。
當(dāng)外加正向電壓時(shí)，電源E與接觸電動(dòng)勢(shì)Epn方向相同，相互疊加。電源正極發(fā)出的正電荷與N區(qū)的自由電子相互吸引，電源負(fù)極發(fā)出的負(fù)電荷與P區(qū)的空穴相互吸引，PN結(jié)之間接觸更加緊密，它們之間的“微小的間隙”變窄，從而接觸電阻減小，PN結(jié)對(duì)外呈現(xiàn)低阻性。
當(dāng)外加反向電壓時(shí)，電源E與接觸電動(dòng)勢(shì)Epn方向相反，相互抵消。電源負(fù)極發(fā)出的負(fù)電荷與N區(qū)的電子相互排斥，電源正極發(fā)出的正電荷與P區(qū)的空穴相互排斥，PN結(jié)之間接觸不再緊密，它們之間的“微小的間隙”變寬了，從而接觸電阻增大，PN結(jié)對(duì)外呈現(xiàn)高阻性。
實(shí)際上，PN結(jié)由于各種材料的不同，它們的正反向電特性也即接觸電阻就會(huì)不完全對(duì)稱(chēng)，這種材料的不對(duì)稱(chēng)就造成了PN結(jié)正反向電阻值的差異，它會(huì)在一定的電壓范圍內(nèi)呈現(xiàn)出較為明顯的不對(duì)稱(chēng)性，也就是PN結(jié)的“單向?qū)щ娦浴薄?/p>
3 總結(jié)
以上就是我對(duì)PN結(jié)單向?qū)щ娦詢(xún)?nèi)部導(dǎo)電的原理分析，但對(duì)于“空間電荷區(qū)”的概念也有許多不同的理解，盡管關(guān)于PN結(jié)的那些推倒式也是基于導(dǎo)體內(nèi)粒子的數(shù)學(xué)模型建立起來(lái)的，但對(duì)于那些令人匪夷所思的推倒式還是仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智。有人不認(rèn)同“空穴”的存在，認(rèn)為它是虛無(wú)縹緲的東西，是人為制造的名詞。有人認(rèn)為既然只有半導(dǎo)體含有“電子空穴對(duì)”、導(dǎo)體只有自由電子，那金屬導(dǎo)線(xiàn)怎么傳輸空穴呢？只在半導(dǎo)體內(nèi)部激發(fā)再?gòu)?fù)合嗎？還是……等等。盡管更多的人認(rèn)為半導(dǎo)體中空穴不能移動(dòng)，只是電子在導(dǎo)電，但這并不能否定空穴的存在，從物理學(xué)角度出發(fā)，電子應(yīng)該與空穴是同時(shí)存在的，只是空穴就是一個(gè)空位，不能移動(dòng)而已。因此，如果把空間電荷區(qū)看作是一個(gè)“微小的間隙”，引入一個(gè)接觸電阻或接觸電動(dòng)勢(shì)的概念就能很好的解釋半導(dǎo)體PN結(jié)的單向?qū)щ娦粤恕?/p>
以上就是我對(duì)PN結(jié)的單向?qū)щ娦栽淼姆治雠c理解，由于水平有限，難免有認(rèn)識(shí)上的錯(cuò)誤，請(qǐng)同志們提出寶貴意見(jiàn)，共同探討。
參考文獻(xiàn)
[1]張肅文主編.低頻電子線(xiàn)路[M].北京：高等教育出版社，2012.
[2]清華大學(xué)電子工程、工業(yè)自動(dòng)化系編.晶體管電路[M].北京：高等教育出版社，2013.
[3]謝嘉奎，宣月清，謝洪臐編.電子線(xiàn)路-線(xiàn)性部分[M].北京：高等教育出版社，2009.
作者單位
國(guó)家新聞出版廣電總局五六四臺(tái) 北京市 100044
高俊杰
摘 要本文意在從本質(zhì)上揭示PN結(jié)的導(dǎo)電機(jī)理，換種思路理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴Ｕ页鲆?guī)律在于化繁為簡(jiǎn)，本文若被認(rèn)可也許能夠建立起一種更為簡(jiǎn)單的PN結(jié)模型。
【關(guān)鍵詞】微小的間隙 接觸電阻 接觸電動(dòng)勢(shì) 單向?qū)щ?/p>
1 前言
提起PN結(jié)，大家都知道它具有正向?qū)?、反向截止的特性，但PN結(jié)為何具有單向?qū)щ娦阅?？這個(gè)問(wèn)題就復(fù)雜了，現(xiàn)在比較流行的是引入一個(gè)“空間電荷區(qū)”的概念來(lái)解釋的，這就需要從PN結(jié)的構(gòu)造說(shuō)起。
2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>
半導(dǎo)體具有摻雜性，P型和N型半導(dǎo)體就是利用在本征半導(dǎo)體也就是純凈的半導(dǎo)體中摻入不同價(jià)位的雜質(zhì)元素而形成的。P型也叫空穴型半導(dǎo)體，它是在硅、鍺等4價(jià)元素中摻入3價(jià)的硼、鋁等受主雜質(zhì)，在其共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中缺少1個(gè)電子而形成空穴（見(jiàn)圖1）。N型半導(dǎo)體則在硅、鍺等4價(jià)元素中摻入5價(jià)的施主雜質(zhì)磷、銻等，這時(shí)就會(huì)在共價(jià)鍵中多出一個(gè)電子而形成自由電子（見(jiàn)圖2），因此半導(dǎo)體就具有了兩種載流子——電子和空穴對(duì)。在P型半導(dǎo)體中空穴是多子、電子是少子；N型半導(dǎo)體則相反，電子是多子、空穴是少子。
如果通過(guò)光刻和雜質(zhì)擴(kuò)散等方法就能將一塊半導(dǎo)體分成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體兩部分，它們之間就是一個(gè)PN結(jié)。它是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，其實(shí)一個(gè)二極管就是一個(gè)PN結(jié)。那么PN結(jié)是怎么具有單向?qū)щ娦缘哪兀?/p>
通常的說(shuō)法是在不加外電壓時(shí)，這個(gè)PN結(jié)中P區(qū)的多子是空穴，N區(qū)的多子是電子（通常只考慮多子），因?yàn)闈舛炔睿d流子必然向濃度低的方向擴(kuò)散。在擴(kuò)散前，P區(qū)與N區(qū)的正負(fù)電荷是相等的，呈電中性。當(dāng)P區(qū)空穴向N區(qū)移動(dòng)時(shí)，就在PN結(jié)邊界處留下了不能移動(dòng)的負(fù)離子，用帶藍(lán)圈的負(fù)電荷表示； 當(dāng)N區(qū)自由電子向P區(qū)移動(dòng)時(shí)， 就在PN結(jié)邊界處留下了不能移動(dòng)的正離子，用帶紅圈的正電荷表示，這樣就在空間電荷區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)Upn，電場(chǎng)的方向是由N區(qū)指向P區(qū)的。在擴(kuò)散作用下隨著Upn增大，載流子受到電場(chǎng)力Upn的作用而做漂移運(yùn)動(dòng)，它的方向與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相反，最終使載流子擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成了空間電荷區(qū)，如圖3所示。
當(dāng)外加正向偏壓時(shí)，電源E提供大量的空穴和電子，E的電場(chǎng)方向與Upn的電場(chǎng)方向相反，空間電荷區(qū)被兩種載流子復(fù)合而消弱變窄，載流子容易通過(guò)擴(kuò)散加強(qiáng)，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)。
當(dāng)外加反向偏壓時(shí)，它的電場(chǎng)方向與Upn的電場(chǎng)方向一致，空間電荷區(qū)被增厚變寬，載流子不易通過(guò)擴(kuò)散減弱，呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。此時(shí)僅有兩側(cè)的少子，也就是N區(qū)的空穴和P區(qū)的電子在Upn電場(chǎng)力作用下做漂移運(yùn)動(dòng)，形成較小的反向飽和電流IS，直至擊穿為止，其電流按二極管方程規(guī)律變化，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦栽怼?/p>
在“空間電荷區(qū)”的概念里認(rèn)為空穴和電子是可以自由移動(dòng)的， PN結(jié)兩側(cè)的正負(fù)離子是不能移動(dòng)的，“空間電荷區(qū)”的厚度決定了通過(guò)PN結(jié)電流的大小。但如果把“空間電荷區(qū)”看作是一個(gè)“微小的間隙”，即把它等效為一個(gè)接觸電阻，可能就更容易理解，更能反映PN結(jié)的單向?qū)щ娦詫?shí)質(zhì)了。我們知道當(dāng)電源E一定時(shí)，電流I的大小主要取決于導(dǎo)線(xiàn)電阻中能夠參與導(dǎo)電的載流子的多少，而在整個(gè)回路中PN結(jié)相對(duì)于其它導(dǎo)體原件能夠參與導(dǎo)電的載流子最少，也就像一道閘門(mén)，它的微小間距也就是它的接觸電阻決定了回路主要電流的大小。當(dāng)PN結(jié)間隙小時(shí)接觸緊密，接觸電阻小；當(dāng)PN結(jié)間隙大時(shí)接觸不緊密，接觸電阻大，因此PN結(jié)邊界處的接觸電阻是PN結(jié)導(dǎo)電的關(guān)鍵。
那么，PN結(jié)邊界處的接觸電阻又與誰(shuí)有關(guān)呢？我們知道由于摻雜的原因，P區(qū)產(chǎn)生的空穴與N區(qū)產(chǎn)生的電子一定會(huì)相互吸引，它們必然向PN結(jié)邊界聚集，形成如圖4所示的接觸電動(dòng)勢(shì)Epn。
當(dāng)沒(méi)有外加電壓時(shí)，載流子要想通過(guò)PN結(jié)，就必須獲得足夠的能量，因此只有少部分高能的載流子才能夠穿過(guò)PN結(jié)與之復(fù)合，不能復(fù)合的空穴和電子就形成了一個(gè)由P區(qū)指向N區(qū)的接觸電動(dòng)勢(shì)，其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)具有電源性質(zhì)的接觸電動(dòng)勢(shì)Epn，它與Upn方向相反。接觸電動(dòng)勢(shì)Epn的存在是載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。
當(dāng)外加正向電壓時(shí)，電源E與接觸電動(dòng)勢(shì)Epn方向相同，相互疊加。電源正極發(fā)出的正電荷與N區(qū)的自由電子相互吸引，電源負(fù)極發(fā)出的負(fù)電荷與P區(qū)的空穴相互吸引，PN結(jié)之間接觸更加緊密，它們之間的“微小的間隙”變窄，從而接觸電阻減小，PN結(jié)對(duì)外呈現(xiàn)低阻性。
當(dāng)外加反向電壓時(shí)，電源E與接觸電動(dòng)勢(shì)Epn方向相反，相互抵消。電源負(fù)極發(fā)出的負(fù)電荷與N區(qū)的電子相互排斥，電源正極發(fā)出的正電荷與P區(qū)的空穴相互排斥，PN結(jié)之間接觸不再緊密，它們之間的“微小的間隙”變寬了，從而接觸電阻增大，PN結(jié)對(duì)外呈現(xiàn)高阻性。
實(shí)際上，PN結(jié)由于各種材料的不同，它們的正反向電特性也即接觸電阻就會(huì)不完全對(duì)稱(chēng)，這種材料的不對(duì)稱(chēng)就造成了PN結(jié)正反向電阻值的差異，它會(huì)在一定的電壓范圍內(nèi)呈現(xiàn)出較為明顯的不對(duì)稱(chēng)性，也就是PN結(jié)的“單向?qū)щ娦浴薄?/p>
3 總結(jié)
以上就是我對(duì)PN結(jié)單向?qū)щ娦詢(xún)?nèi)部導(dǎo)電的原理分析，但對(duì)于“空間電荷區(qū)”的概念也有許多不同的理解，盡管關(guān)于PN結(jié)的那些推倒式也是基于導(dǎo)體內(nèi)粒子的數(shù)學(xué)模型建立起來(lái)的，但對(duì)于那些令人匪夷所思的推倒式還是仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智。有人不認(rèn)同“空穴”的存在，認(rèn)為它是虛無(wú)縹緲的東西，是人為制造的名詞。有人認(rèn)為既然只有半導(dǎo)體含有“電子空穴對(duì)”、導(dǎo)體只有自由電子，那金屬導(dǎo)線(xiàn)怎么傳輸空穴呢？只在半導(dǎo)體內(nèi)部激發(fā)再?gòu)?fù)合嗎？還是……等等。盡管更多的人認(rèn)為半導(dǎo)體中空穴不能移動(dòng)，只是電子在導(dǎo)電，但這并不能否定空穴的存在，從物理學(xué)角度出發(fā)，電子應(yīng)該與空穴是同時(shí)存在的，只是空穴就是一個(gè)空位，不能移動(dòng)而已。因此，如果把空間電荷區(qū)看作是一個(gè)“微小的間隙”，引入一個(gè)接觸電阻或接觸電動(dòng)勢(shì)的概念就能很好的解釋半導(dǎo)體PN結(jié)的單向?qū)щ娦粤恕?/p>
以上就是我對(duì)PN結(jié)的單向?qū)щ娦栽淼姆治雠c理解，由于水平有限，難免有認(rèn)識(shí)上的錯(cuò)誤，請(qǐng)同志們提出寶貴意見(jiàn)，共同探討。
參考文獻(xiàn)
[1]張肅文主編.低頻電子線(xiàn)路[M].北京：高等教育出版社，2012.
[2]清華大學(xué)電子工程、工業(yè)自動(dòng)化系編.晶體管電路[M].北京：高等教育出版社，2013.
[3]謝嘉奎，宣月清，謝洪臐編.電子線(xiàn)路-線(xiàn)性部分[M].北京：高等教育出版社，2009.
作者單位
國(guó)家新聞出版廣電總局五六四臺(tái) 北京市 100044
