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pn结

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pn结基本构造:图示为以硅为主要材料的pn结。
pn结基本构造:图示为以为主要材料的pn结。

一块半导体晶体一侧掺杂成p型半导体,另一侧掺杂成n型半导体,中间二者相连的接触面间有一个过渡层,称为pn结p-n结pn接面(p-n junction)。pn结是电子技术中许多器件,例如半导体二极管双极性晶体管的物质基础。

历史

1948年,威廉·肖克利的论文《半导体中的pn结和pn结型晶体管的理论》发表于贝尔实验室内部刊物。肖克利在1950年出版的《半导体中的电子和空穴》中详尽地讨论了结型晶体管的原理,与约翰·巴丁沃尔特·布喇顿共同发明的点接触型晶体管所采用的不同的理论。

原理

如图所示,从上到下依次是两种半导体:接触前、接触、接触后的载流子分布情况
如图所示,从上到下依次是两种半导体:接触前、接触、接触后的载流子分布情况

n型半导体

掺入少量杂质元素(或元素)的晶体(或晶体)中,由于半导体原子(如硅原子)被杂质原子取代,磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键,多出的一个电子几乎不受束缚,较为容易地成为自由电子。于是,N型半导体就成为了含自由电子浓度较高的半导体,其导电性主要是因为自由电子导电。

p型半导体

掺入少量杂质元素(或元素)的硅晶体(或锗晶体)中,由于半导体原子(如硅原子)被杂质原子取代,硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候,会产生一个“空穴”,这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”,使得硼原子成为带负电的离子。这样,这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”(“相当于”正电荷),成为能够导电的物质。

电子与空穴的移动

漂移运动

上面叙述的两种半导体在外加电场的情况下,会作定向运动。这种运动称为电子与空穴(统称“载流子”)的“漂移运动”,并产生“漂移电流”。

根据静电学,电子将作与外加电场相反方向的运动,并产生电流(根据传统定义,电流的方向与电子运动方向相反,即和外加电场方向相同);而空穴的运动方向与外加电场相同,由于其可被看作是“正电荷”,将产生与电场方向相同的电流。

两种载流子的浓度越大,所产生的漂移电流越大。

扩散运动

由于某些外部条件而使半导体内部的载流子存在浓度梯度的时候,将产生扩散运动,即载流子由浓度高的位置向浓度低的位置运动。

pn结的形成

采用一些特殊的工艺(见本条目后面的段落),可以将上述的P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起。在二者的接触面的位置形成一个PN结。

p型、n型半导体由于分别含有较高浓度的“空穴”和自由电子,存在浓度梯度,所以二者之间将产生扩散运动。即:

  • 自由电子由n型半导体向p型半导体的方向扩散
  • 空穴由p型半导体向n型半导体的方向扩散

载流子经过扩散的过程后,扩散的自由电子和空穴相互结合,使得原有的N型半导体的自由电子浓度减少,同时原有P型半导体的空穴浓度也减少。在两种半导体中间位置形成一个由N型半导体指向P型半导体的电场,称为“内电场”。

性质

平衡状态(零偏置)

pn结在没有外加电压情况下,跨结形成了电势差导致了平衡状态。该电势差称为内建电势(built-in potential)

pn结的n区的电子向p区扩散,留下了正电荷在n区。类似地,p型空穴从p区向n区扩散,留下了负电荷在p区。进入了p区的电子与空穴复合,进入了n区的空穴与电子复合。其效果是扩散到对方的多数载流子(自由电子与空穴)都耗尽了,结区只剩下不可移动的带电离子,失去了电中性变为带电,形成了耗尽层(space charge region)(见图A)。

图A.零偏置热平衡下的pn结。电子与空穴的浓度分别用蓝线、红线表示。灰色区域是电中性。亮红色是正电区域,亮蓝色区域是负电性。底部显示电场。静电力作用于电子与空穴,以及其扩散取向。
图A.零偏置热平衡下的pn结。电子与空穴的浓度分别用蓝线、红线表示。灰色区域是电中性。亮红色是正电区域,亮蓝色区域是负电性。底部显示电场。静电力作用于电子与空穴,以及其扩散取向。

耗尽区的电场与电子与空穴的扩散过程相反,阻碍进一步扩散。载流子浓度确定的平衡态在图A中表示为红线与蓝线。

图B.pn结在零偏置与热平衡状态下。底部绘出了电荷密度、电场、电压。
图B.pn结在零偏置与热平衡状态下。底部绘出了电荷密度、电场、电压。

耗尽层的多数载流子已经全部耗尽,留下的电荷密度等于净掺杂水平。当平衡达到时,电荷密度近似显示为阶梯函数,耗尽层与中立区的边界相当陡峭。(见图B的Q(x)图)。耗尽层在pn结两侧有相同量的电荷,因此它向较少掺杂的一侧延展更远(图A与图B的n端)。

正向偏置

若施加在p区的电压高于n区的电压,称为正向偏置(forward bias)。

正向偏置下的pn结,表现为耗尽层变薄。在p端与n端均掺杂1e15/cm3水平,导致内在电势~0.59 V。耗尽厚度的降低可以从电荷分布曲线上推断。
正向偏置下的pn结,表现为耗尽层变薄。在p端与n端均掺杂1e15/cm3水平,导致内在电势~0.59 V。耗尽厚度的降低可以从电荷分布曲线上推断。

在正向偏置电压的外电场作用下,N区的电子与P区的空穴被推向pn结。这降低了耗尽区的耗尽宽度。这降低了pn结的电势差(即内在电场)。随着正向电压的增加,耗尽区最终变得足够薄以至于内电场不足以反作用抑制多数载流子跨pn结的扩散运动,因而降低了pn结的电阻。跨过pn结注入p区的电子将扩散到附近的电中性区。所以pn结附近的电中性区的少数载流子的扩散量确定了二极管的正向电流。

仅有多数载流子能够在半导体材料中长距离移动。因此,注入p区的电子不能继续移动更远,而是很快与空穴复合。少数载流子在注入中性区后移动的平均距离称为扩散长度(diffusion length),一般来说仅有微米等级。[1]

虽然跨过p-n结的电子在p-区只能穿透短距离,但正向电流不被打断,因为空穴(p-区的多数载流子)在外电场驱动下在向相反方向移动。从p-区跨越pn结注入n-区的空穴也具有类似性质。

正向偏置下,跨pn结的电流强度取决于多数载流子的密度,这一密度随正向偏置电压的大小成指数增加。这使得二极管可以导通正向大电流。

反向偏置

反向偏置的硅p–n结。
反向偏置的硅p–n结。

若施加在n区的电压高于p区的电压,这种状态称为pn结反向偏置(reverse bias)。由于p区连接电源负极,多数载流子(空穴)被外电场拉向负极,因而耗尽层变厚。n区也发生类似变化。并且随反向偏置电压的增加,耗尽层的厚度增加。从而,多数载流子扩散过pn结的势垒增大,pn结的电阻变大,宏观看二极管成为绝缘体。

反向偏置时形成极其微弱的漂移电流,电流由N区流向P区,并且这个电流不随反向电压的增大而变化,称为“反向饱和电流”(reverse saturation current)。这是因为反向电流是由少数载流子跨pn结形成的,因此其“饱和”值取决于少数载流子的掺杂密度。由于反向饱和电流很小,pn结处于截止状态,所以外加反向电压时,pn结相当于断路

当加在pn结上的反向电压超过一定数值时,pn结的电阻突然减小,反向电流急剧增大,这种现象称为击穿。电击击穿分为雪崩击穿齐纳击穿英语Zener effect且都是可逆的。发生热击穿后,pn结不再具有单向导电性,导致二极管发生不可恢复的损坏。利用齐纳击穿制作的稳压二极管,称为齐纳二极管

反向崩溃

当反向电压逐渐增大时,反向饱和电流不变。但是当反向电压达到一定值时,pn结将被击穿。在pn结中加反向电压,如果反向电压过大,位于pn结中的载流子会拥有很大的动能,足以和中性粒子碰撞使中性粒子分离出价电子而产生空穴-电子对。这样会导致pn结反向电流的急剧增大,发生pn接面的击穿,因为被弹出的价电子又可能和其他中性粒子碰撞产生链式反应,类似于雪崩,这样的反向击穿方式成为雪崩击穿(Avalanche breakdown)。掺杂浓度越低所需电场越强。当掺杂浓度非常高时,在pn结两端加入弱电场就会使中性粒子中的价电子脱离原子的束缚,从而成为载流子。导致pn结的击穿。这样的击穿被称作齐纳击穿(Zener breakdown)。掺杂浓度越高所需要的电场越弱。一般小于6V的电压引起的是齐纳击穿,大于6V的引起的是雪崩击穿[2]

伏安特性

pn结的伏安特性曲线。图例:蓝色表示正向导通的状态;绿色为反向饱和电流的状态;黄色表示pn结被击穿的状态;红色部分表示即将被导通的状态
pn结的伏安特性曲线。图例:蓝色表示正向导通的状态;绿色为反向饱和电流的状态;黄色表示pn结被击穿的状态;红色部分表示即将被导通的状态

pn结的最大特性为单向导电性,反映到伏安特性曲线如右图。当正向电压达到一定值时,pn结将产生正向偏置,pn结被导通(图中蓝色部分);当反向电压在一定范围内时,pn结产生微弱的反向饱和电流(图中绿色部分);当反向电压超过一定值时,pn结被击穿(图中黄色部分)。

pn结的电容效应

在pn结(两种半导体的交界处)会因为外加电压产生一定电荷积累,即结电容()效应。根据成因分为“势垒电容”()和“扩散电容”()。结电容满足:

势垒电容

当外加电压的时候,“耗尽层”的厚度发生变化,将会引起其电荷量的变化。从而产生等效的电容效应,即“势垒电容”。它与pn结面积、耗尽层宽度、半导体介电常数和外加电压都有关系。

扩散电容

当外加电压变化时,扩散区(参见上文所述扩散运动)内电荷的积累和释放过程将产生等效于电容的充放电过程,故等效于一个“扩散电容”

应用

由于pn结的单向导电性,可以利用它作为基础制造半导体二极管三极管电子器件,例如常用的稳压二极管、光电二极管、发光二极管LED)等。

相关条目

参考文献

  1. ^ Hook, J. R.; H. E. Hall. Solid State Physics. John Wiley & Sons. 2001. ISBN 0-471-92805-4. 
  2. ^ 冯军,谢嘉奎. 电子线路:线性部分 (第五版). 北京: 高等教育出版社. 2010. 
  • 赵凯华、陈熙谋. 《新概念物理教程·电磁学》(第二版). 高等教育出版社. ISBN 9787040202021. 
  • 熊年禄等. 《模拟电路》. 北京邮电大学出版社. ISBN 978-7-5635-2227-9. 
  • David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. Fundamentals of Physics Extended. Wiley. ISBN 9780471758013. 
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pn结
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