本征半導(dǎo)體摻雜后形成的 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體, 雖然導(dǎo)電能力大大增強(qiáng), 但一般并不能直接用來制造半導(dǎo)體器件,各種半導(dǎo)體器件的核心結(jié)構(gòu)是將 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體通過一定的制作工藝形成的 PN 結(jié), 因此,掌握 PN 結(jié)的基本原理十分重要。

1. PN 結(jié)的形成

如果一塊半導(dǎo)體的兩部分分別摻雜形成 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體, 在它們的交界面處就形成了 PN 結(jié)。

交界面處存在載流子濃度的差異,會(huì)引起載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng), 如圖 2. 3( a)所示。P 區(qū)空穴多,電子少; N 區(qū)電子多,空穴少。于是, N 區(qū)電子要向 P 區(qū)擴(kuò)散, 擴(kuò)散到 P 區(qū)的電子與空穴復(fù)合, 在交界面附近的 N 區(qū)留下一些帶正電的 5 價(jià)雜質(zhì)離子, 形成正離子區(qū);同時(shí), P 區(qū)空穴向 N區(qū)擴(kuò)散, P 區(qū)一側(cè)留下帶負(fù)電的 3 價(jià)雜質(zhì)離子,形成負(fù)離子區(qū)。這些正負(fù)離子通常稱為空間電荷,它們不能自由移動(dòng), 不參與導(dǎo)電。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果, 產(chǎn)生從 N 區(qū)指向 P 區(qū)的內(nèi)電場(chǎng), 如圖2. 3( b) 所示。

圖 2.3 PN 結(jié)的形成

在內(nèi)電場(chǎng)的作用下, P 區(qū)的少子電子向 N 區(qū)運(yùn)動(dòng), N 區(qū)的少子空穴向 P 區(qū)運(yùn)動(dòng)。這種在內(nèi)電場(chǎng)作用下的載流子運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。

由上述分析可知, P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體交界面存在著兩種相反的運(yùn)動(dòng)———多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和少子的漂移運(yùn)動(dòng)。內(nèi)電場(chǎng)促進(jìn)了少子的漂移運(yùn)動(dòng), 卻阻擋多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。當(dāng)這兩種運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),空間電荷區(qū)的寬度穩(wěn)定下來, 不再變化,這種寬度穩(wěn)定的空間電荷區(qū),就稱做 PN 結(jié)。

在 PN 結(jié)內(nèi), 由于載流子已擴(kuò)散到對(duì)方并復(fù)合掉了, 或者說被耗盡了, 所以空間電荷區(qū)又稱為耗盡層。

2. PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?/strong>

PN 結(jié)無外加電壓時(shí), 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)處于動(dòng)態(tài)平衡, 流過 PN 結(jié)的電流為 0。當(dāng)外加一定的電壓時(shí),由于所加電壓極性的不同, PN 結(jié)的導(dǎo)電性能不同。

(1 ) 正向偏置———PN 結(jié)低阻導(dǎo)通

通常將加在 PN 結(jié)上的電壓稱為偏置電壓。若 PN 結(jié)外加正向電壓 ( P 區(qū)接電源的正極,N 區(qū)接電源的負(fù)極,或 P 區(qū)電位高于 N 區(qū)電位 ) ,稱為正向偏置。如圖 2 .4 ( a )所示。這時(shí)外加電壓在 PN 結(jié)上形成的外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)的方向相反, 因此擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡被破壞。外電場(chǎng)有利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),不利于漂移運(yùn)動(dòng), 于是多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng), 中和了一部分空間電荷,整個(gè)空間電荷區(qū)變窄, 形成較大的擴(kuò)散電流,方向由 P 區(qū)指向 N 區(qū), 稱為正向電流。在一定范圍內(nèi),外加電壓越大, 正向電流越大, PN 結(jié)呈低阻導(dǎo)通狀態(tài)。

注意:正向電流由兩部分組成, 即電子電流和空穴電流,雖然電子和空穴的運(yùn)動(dòng)方向相反,但形成的電流方向一致。

圖 2 .4 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(2 ) 反向偏置———PN 結(jié)高阻截止

若 PN 結(jié)外加反向電壓 ( P 區(qū)接電源的負(fù)極, N 區(qū)接電源的正極, 或 P 區(qū)電位低于 N 區(qū)電位) ,稱為反向偏置。如圖 2.4(b)所示。這時(shí)外加電壓在 PN 結(jié)上形成的外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)的方向相同,加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng),促進(jìn)了少子的漂移運(yùn)動(dòng),使空間電荷區(qū)變寬,不利于多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。此時(shí)主要由少子的漂移運(yùn)動(dòng)形成的漂移電流將超過擴(kuò)散電流, 方向由 N 區(qū)指向 P 區(qū),稱為反向電流。由于在常溫下少數(shù)載流子數(shù)量很少, 所以反向電流很小。此時(shí) PN 結(jié)呈高阻截止?fàn)顟B(tài)。在一定溫度下,若反向偏置電壓超過某個(gè)值(零點(diǎn)幾伏), 反向電流不會(huì)隨著反向電壓的增大而增大,稱為反向飽和電流。反向飽和電流是由少子產(chǎn)生的,因此對(duì)溫度變化非常敏感。

綜上所述, PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦? 正向偏置時(shí),呈導(dǎo)通狀態(tài); 反向偏置時(shí),呈截止?fàn)顟B(tài)。除了單向?qū)щ娦? PN 結(jié)還有感溫、感光、發(fā)光等特性, 這些特性經(jīng)常得到應(yīng)用, 制成各種用途的半導(dǎo)體器件。