P型半導體和N型半導體

P型半導體：空穴多，容易吸收電子。原子核電荷偏少，會形成負電荷;

多子為空穴，少子為電子。

N型半導體：電子多，電子容易掙脫。原子核電荷過多，會形成正電荷。

多子為電子，少子為空穴。

PN結(jié)與空間電荷區(qū)

1、PN結(jié)的構(gòu)成

如圖2-1，將一塊P型半導體與N型半導體相結(jié)合后，構(gòu)成PN結(jié)。P區(qū)與N區(qū)兩塊半導體之間形成了空間電荷區(qū)。(空間電荷區(qū)又稱阻擋層、耗盡層、勢壘區(qū))

圖2-1

2、空間電荷區(qū)的形成

因為P區(qū)與N區(qū)交界處電子和空穴的濃度不一，造成了各區(qū)的多子會向另外一區(qū)移動的擴散運動。

首先，內(nèi)電場的方向是阻礙擴散運動的。其次，又吸引另外一區(qū)的少子來本區(qū)。此現(xiàn)象成為漂移運動。

(簡單整理為：①多子才會發(fā)生擴散運動，電子從N區(qū)擴散至P區(qū)，空穴從P區(qū)擴散至N區(qū)。②少子才會發(fā)生漂移運動，空穴從N區(qū)漂移至P區(qū)，電子從P區(qū)漂移至N區(qū)。)

最終，漂移運動與擴散運動相平衡。P區(qū)、N區(qū)交界處的正負電荷趨于穩(wěn)定，這塊范圍稱為空間電荷區(qū)。

由于空間電荷的分布，PN結(jié)內(nèi)部形成一個內(nèi)電場，內(nèi)電場方向如圖2-2所示。(內(nèi)電場又稱自建電場)

圖2-2

正向偏置與反向偏置

正向偏置

亦稱正向?qū)顟B(tài)。當外界施加一個電場給PN結(jié)，外加電場方向如圖3-1所示。由于外加電場和內(nèi)電場的方向相反，在外電場的作用下，內(nèi)電場必定會被削弱，空間電荷區(qū)變窄，擴散運動增強，PN結(jié)內(nèi)形成較大的擴散電流，稱為正向電流IF。

圖3-1

2.反向偏置

亦稱反向截止狀態(tài)。如圖3-2所示，當外加電場的方向與內(nèi)電場方向一致時，這無疑增強了內(nèi)電場。使得空間電荷區(qū)變寬。減弱了多子的擴散運動，無法形成正向電流。但是，少子的漂移運動形成了反向電流，因為少子的數(shù)量很少，故反向電流IR非常小，通常是微安級別的。此時，PN結(jié)成高阻態(tài)。

圖3-2

電導調(diào)制效應

由于個人工作原因，本人接觸的都是電力二極管。區(qū)別于信息電子二極管，首先，其采用了垂直導電結(jié)構(gòu)。另外，在P區(qū)與N區(qū)之間，增加了一塊低摻雜N-區(qū)域。如圖4-1所示。

圖4-1

使用垂直導電結(jié)構(gòu)可以使硅片通過電流的面積變大，提高二極管的通流能力。加入的N-區(qū)，因為摻雜濃度低，電阻率高，故可以承受很高的電壓(N-區(qū)的厚度，直接決定了二極管的擊穿電壓)。因此N-區(qū)越厚，二級管可以承受的反向電壓就越高。但是N-區(qū)的高電阻率，對于二極管的正向?qū)ㄊ遣焕摹?/p>

故利用電導調(diào)制效應來解決之。電流反向如圖4-1所示。

當i較小時，電阻為N-區(qū)的歐姆電阻，此值為常數(shù)且較高。故管壓降隨著正向電流的增大而增大。

當i較大時，P區(qū)向N-區(qū)注入空穴。為了維持半導體的電中性，N-區(qū)的電子濃度也會上升。N-區(qū)的電子增多，其電阻率就會下降(電導率上升)。

這就是電導調(diào)制效應。

結(jié)電容

PN結(jié)的電荷量，根據(jù)外加電場的變化而變化，這種現(xiàn)象呈現(xiàn)電容效應，稱為結(jié)電容CJ。結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，在高速開關(guān)狀態(tài)下，可能會導致PN結(jié)的單向?qū)щ娦宰儾?。結(jié)電容又可以分為勢壘電容CB和擴散電容CD。三者關(guān)系如式5.1。

CJ=CB+CD——式5.1

勢壘電容：此值大小與PN結(jié)的截面面積成正比，與空間電荷區(qū)厚度成反比。且此值只有在外加電路變化時，才起作用。外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。

擴散電容：此值只在正向偏置時起作用。正向偏置電壓越高，非平衡少子越多。擴散電容越明顯。

整理一下：

反偏時，勢壘電容遠遠大于擴散電容。結(jié)電容約等于勢壘電容;

正偏時，擴散電容遠遠大于勢壘電容。結(jié)電容約等于擴散電容。

反向擊穿

PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力。第四小節(jié)我們提到這個能力取決于N-區(qū)的厚度。但是當反向電壓過大時，反向電流IR隨即變大，破壞了反向截止的工作狀態(tài)，這就是反向擊穿。

反向擊穿分為齊納擊穿和雪崩擊穿。這兩種擊穿是可逆的，通俗來講，就是可以靠外電路中的保護措施，將反向電流限制住，從而在反向電壓降低后，PN結(jié)恢復到原來的狀態(tài)。

還有一種擊穿，是反向電流限制不住，導致PN結(jié)過熱，直接燒毀，稱為熱擊穿，熱擊穿不可逆。

齊納擊穿：一般發(fā)生在摻雜濃度大的二極管上，其空間電荷區(qū)窄。根據(jù)公式6.1可知，當空間電荷區(qū)很窄很窄(式6.1中的d)時，就算u不大，E也會很大，導致形成很大的電流，擊穿PN結(jié)。

E=u/d——式6.1

(E為電場強度、u為反向電壓、d為延場強E方向的距離)

雪崩擊穿：一般發(fā)生在摻雜濃度小的二極管上。根據(jù)式6.1，反向電壓u變大，電場強度變大，少子漂移的速度加快。撞壞共價鍵，從而產(chǎn)生了空穴和自由電子對。反向電流將增大，PN結(jié)擊穿。

審核編輯：湯梓紅