對(duì)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(shù)與軟件工程 2020年3期
郭澤宇
（河南大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院 河南省開封市 475004）
原子的結(jié)構(gòu)決定了物質(zhì)的導(dǎo)電性能，其導(dǎo)電性能又決定了該物質(zhì)在電子技術(shù)中的應(yīng)用。一些低價(jià)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(chǎng)的作用下定向移動(dòng)，形成電流，一般用作導(dǎo)體。反之，高價(jià)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(dǎo)電性能就比較差，成為絕緣體。而常見的半導(dǎo)體材料（如硅）的導(dǎo)電性能不如低價(jià)金屬那么好，也不如高價(jià)元素、高分子物質(zhì)那么差。
1 PN結(jié)的概念
將純凈的半導(dǎo)體經(jīng)過一定的工藝過程制成單晶體，即為本征半導(dǎo)體。
相鄰的兩個(gè)原子之間最外層電子相互共用，為共價(jià)鍵，在如圖1中這樣每一個(gè)原子都占據(jù)一個(gè)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(gè)最外層電子都老老實(shí)實(shí)的待在自己的那個(gè)共價(jià)鍵內(nèi)，有些“調(diào)皮”的電子就會(huì)由于熱運(yùn)動(dòng)而具有足夠的能量掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子。與此同時(shí)，在共價(jià)鍵中留下一個(gè)位置，成為空穴。所以在本征半導(dǎo)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(huì)隨溫度等因素的變化而變化，即其導(dǎo)電性能會(huì)隨外界因素變化而變化。
通過擴(kuò)散工藝，我們可以在半導(dǎo)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(jià)元素（如磷），一些磷原子就會(huì)取代一些硅原子，由于磷為五價(jià)，其最外層四個(gè)電子與其他原子形成共價(jià)鍵，多出來一個(gè)電子只需一點(diǎn)能量就可以成為自由電子。所以這樣的半導(dǎo)體中自由電子多于空穴，稱之為N型半導(dǎo)體。若摻入三價(jià)元素，如硼元素，相反，此時(shí)的半導(dǎo)體中空穴數(shù)目多于自由電子數(shù)目，形成P型半導(dǎo)體。
若在同一塊半導(dǎo)體兩邊分別摻入三價(jià)和五價(jià)元素，則該半導(dǎo)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(huì)如圖2所示方向 N區(qū)自由電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，所以在交界面處存在自由電子和空穴的復(fù)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(huì)形成電荷區(qū)，稱之為空間電荷區(qū)如圖3所示。
這樣就會(huì)形成一個(gè)電場(chǎng)，阻止這種擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的發(fā)生。同時(shí)，電場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生一種與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相反的運(yùn)動(dòng)，漂移運(yùn)動(dòng)。這兩種運(yùn)動(dòng)會(huì)不斷地進(jìn)行，但是當(dāng)參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同就會(huì)達(dá)到動(dòng)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(dǎo)電性，利用這種導(dǎo)電性就可以構(gòu)成各種各樣的半導(dǎo)體器件，這種導(dǎo)電性被稱為單向?qū)щ娦浴?/p>
圖1：本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴
圖2：多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)
圖3：平衡狀態(tài)下的PN結(jié)
當(dāng)PN結(jié)如圖4所示，加正向電壓時(shí)，P區(qū)直接接在電源的正端，N區(qū)通過一個(gè)電阻接在電源的負(fù)端，這時(shí)外電場(chǎng)的作用是削弱內(nèi)電場(chǎng)的，有利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而削弱漂移運(yùn)動(dòng)，這種擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由于電源的存在會(huì)源源不斷地形成了“流”，即電流。所以在加正向電壓時(shí)PN結(jié)導(dǎo)通：耗盡層變窄，內(nèi)部電場(chǎng)變?nèi)?，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，形成擴(kuò)散電流。
若相反，N區(qū)通過一個(gè)電阻接在電源的正端，P區(qū)直接接在電源的負(fù)端，這樣外電場(chǎng)和內(nèi)電場(chǎng)方向一致，會(huì)使得空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電廠加強(qiáng)，加劇漂移運(yùn)動(dòng)。由于外部電場(chǎng)作用，漂移運(yùn)動(dòng)源源不斷地進(jìn)行，形成漂移電流，而漂移運(yùn)動(dòng)是少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)，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(rèn)為其截止。如圖5所示。
圖4：PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通
圖5：PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止
3 二極管的伏安特性及電流方程
3.1 由實(shí)驗(yàn)得出并分析二極管的伏安特性
將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。
如圖6（a）所示，接一個(gè)這樣的電路就可以測(cè)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(shí)，并不是一旦有電壓，電路就會(huì)導(dǎo)通。因?yàn)橐环矫娑O管在引出電極的時(shí)候會(huì)存在較小的電阻，另一個(gè)重要的原因在于PN結(jié)，PN結(jié)在動(dòng)態(tài)平衡的時(shí)候是多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，和少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡，所以要是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)源源不斷地進(jìn)行，外加電場(chǎng)一定要克服內(nèi)電場(chǎng)的作用。只有電壓達(dá)到一定程度的時(shí)候，二極管才有電流通過。使得二極管導(dǎo)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(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng)。
如果加反向電壓的話，電壓小的時(shí)候電流會(huì)隨電壓的增大而增大，而反向電壓的值達(dá)到一定程度的時(shí)候，電流就會(huì)幾乎不變。因?yàn)楫?dāng)增大反向電壓，增強(qiáng)內(nèi)部電場(chǎng)的時(shí)候，剛開始參與漂移運(yùn)動(dòng)的少數(shù)載流子的數(shù)目會(huì)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(dāng)外加電壓達(dá)到一定程度的時(shí)候，幾乎全部的載流子都參與了漂移運(yùn)動(dòng)，這時(shí)候外部電壓再增大，電流就幾乎不變了。此時(shí)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(huì)破壞PN結(jié)的結(jié)構(gòu)，此時(shí)價(jià)電子都會(huì)掙脫共價(jià)鍵的束縛，成為自由的，形成電流。
圖6：測(cè)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(guān)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(xué)溫度，將式（1）中的kT/q用UT取代，則得
常溫下，即T=300K時(shí)，，稱UT為溫度的電壓當(dāng)量。
4 結(jié)束語
常見的半導(dǎo)體材料（如硅）內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較特殊，所以導(dǎo)電性能也比較特殊，可摻雜雜質(zhì)或光照、熱輻射使其導(dǎo)電性可控。這些特殊的性質(zhì)就決定了半導(dǎo)體可以制成各種電子器件。
郭澤宇
（河南大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院 河南省開封市 475004）
原子的結(jié)構(gòu)決定了物質(zhì)的導(dǎo)電性能，其導(dǎo)電性能又決定了該物質(zhì)在電子技術(shù)中的應(yīng)用。一些低價(jià)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(chǎng)的作用下定向移動(dòng)，形成電流，一般用作導(dǎo)體。反之，高價(jià)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(dǎo)電性能就比較差，成為絕緣體。而常見的半導(dǎo)體材料（如硅）的導(dǎo)電性能不如低價(jià)金屬那么好，也不如高價(jià)元素、高分子物質(zhì)那么差。
1 PN結(jié)的概念
將純凈的半導(dǎo)體經(jīng)過一定的工藝過程制成單晶體，即為本征半導(dǎo)體。
相鄰的兩個(gè)原子之間最外層電子相互共用，為共價(jià)鍵，在如圖1中這樣每一個(gè)原子都占據(jù)一個(gè)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(gè)最外層電子都老老實(shí)實(shí)的待在自己的那個(gè)共價(jià)鍵內(nèi)，有些“調(diào)皮”的電子就會(huì)由于熱運(yùn)動(dòng)而具有足夠的能量掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子。與此同時(shí)，在共價(jià)鍵中留下一個(gè)位置，成為空穴。所以在本征半導(dǎo)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(huì)隨溫度等因素的變化而變化，即其導(dǎo)電性能會(huì)隨外界因素變化而變化。
通過擴(kuò)散工藝，我們可以在半導(dǎo)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(jià)元素（如磷），一些磷原子就會(huì)取代一些硅原子，由于磷為五價(jià)，其最外層四個(gè)電子與其他原子形成共價(jià)鍵，多出來一個(gè)電子只需一點(diǎn)能量就可以成為自由電子。所以這樣的半導(dǎo)體中自由電子多于空穴，稱之為N型半導(dǎo)體。若摻入三價(jià)元素，如硼元素，相反，此時(shí)的半導(dǎo)體中空穴數(shù)目多于自由電子數(shù)目，形成P型半導(dǎo)體。
若在同一塊半導(dǎo)體兩邊分別摻入三價(jià)和五價(jià)元素，則該半導(dǎo)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(huì)如圖2所示方向 N區(qū)自由電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，所以在交界面處存在自由電子和空穴的復(fù)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(huì)形成電荷區(qū)，稱之為空間電荷區(qū)如圖3所示。
這樣就會(huì)形成一個(gè)電場(chǎng)，阻止這種擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的發(fā)生。同時(shí)，電場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生一種與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相反的運(yùn)動(dòng)，漂移運(yùn)動(dòng)。這兩種運(yùn)動(dòng)會(huì)不斷地進(jìn)行，但是當(dāng)參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同就會(huì)達(dá)到動(dòng)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(dǎo)電性，利用這種導(dǎo)電性就可以構(gòu)成各種各樣的半導(dǎo)體器件，這種導(dǎo)電性被稱為單向?qū)щ娦浴?/p>
圖1：本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴
圖2：多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)
圖3：平衡狀態(tài)下的PN結(jié)
當(dāng)PN結(jié)如圖4所示，加正向電壓時(shí)，P區(qū)直接接在電源的正端，N區(qū)通過一個(gè)電阻接在電源的負(fù)端，這時(shí)外電場(chǎng)的作用是削弱內(nèi)電場(chǎng)的，有利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而削弱漂移運(yùn)動(dòng)，這種擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由于電源的存在會(huì)源源不斷地形成了“流”，即電流。所以在加正向電壓時(shí)PN結(jié)導(dǎo)通：耗盡層變窄，內(nèi)部電場(chǎng)變?nèi)?，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，形成擴(kuò)散電流。
若相反，N區(qū)通過一個(gè)電阻接在電源的正端，P區(qū)直接接在電源的負(fù)端，這樣外電場(chǎng)和內(nèi)電場(chǎng)方向一致，會(huì)使得空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電廠加強(qiáng)，加劇漂移運(yùn)動(dòng)。由于外部電場(chǎng)作用，漂移運(yùn)動(dòng)源源不斷地進(jìn)行，形成漂移電流，而漂移運(yùn)動(dòng)是少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)，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(rèn)為其截止。如圖5所示。
圖4：PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通
圖5：PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止
3 二極管的伏安特性及電流方程
3.1 由實(shí)驗(yàn)得出并分析二極管的伏安特性
將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。
如圖6（a）所示，接一個(gè)這樣的電路就可以測(cè)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(shí)，并不是一旦有電壓，電路就會(huì)導(dǎo)通。因?yàn)橐环矫娑O管在引出電極的時(shí)候會(huì)存在較小的電阻，另一個(gè)重要的原因在于PN結(jié)，PN結(jié)在動(dòng)態(tài)平衡的時(shí)候是多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，和少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡，所以要是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)源源不斷地進(jìn)行，外加電場(chǎng)一定要克服內(nèi)電場(chǎng)的作用。只有電壓達(dá)到一定程度的時(shí)候，二極管才有電流通過。使得二極管導(dǎo)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(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng)。
如果加反向電壓的話，電壓小的時(shí)候電流會(huì)隨電壓的增大而增大，而反向電壓的值達(dá)到一定程度的時(shí)候，電流就會(huì)幾乎不變。因?yàn)楫?dāng)增大反向電壓，增強(qiáng)內(nèi)部電場(chǎng)的時(shí)候，剛開始參與漂移運(yùn)動(dòng)的少數(shù)載流子的數(shù)目會(huì)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(dāng)外加電壓達(dá)到一定程度的時(shí)候，幾乎全部的載流子都參與了漂移運(yùn)動(dòng)，這時(shí)候外部電壓再增大，電流就幾乎不變了。此時(shí)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(huì)破壞PN結(jié)的結(jié)構(gòu)，此時(shí)價(jià)電子都會(huì)掙脫共價(jià)鍵的束縛，成為自由的，形成電流。
圖6：測(cè)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(guān)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(xué)溫度，將式（1）中的kT/q用UT取代，則得
常溫下，即T=300K時(shí)，，稱UT為溫度的電壓當(dāng)量。
4 結(jié)束語
常見的半導(dǎo)體材料（如硅）內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較特殊，所以導(dǎo)電性能也比較特殊，可摻雜雜質(zhì)或光照、熱輻射使其導(dǎo)電性可控。這些特殊的性質(zhì)就決定了半導(dǎo)體可以制成各種電子器件。
