PN結(jié)介紹
采用不同的摻雜工藝,通過(guò)擴(kuò)散作用,將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體(通常是硅或鍺)基片上,在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)(英語(yǔ):PN junction)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?,?a target="_blank">電子技術(shù)中許多器件所利用的特性,例如半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管的物質(zhì)基礎(chǔ)。
PN結(jié)的形成
PN結(jié)是由一個(gè)N型摻雜區(qū)和一個(gè)P型摻雜區(qū)緊密接觸所構(gòu)成的,其接觸界面稱為冶金結(jié)界面。
在一塊完整的硅片上,用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體,另一邊形成P型半導(dǎo)體,我們稱兩種半導(dǎo)體的交界面附近的區(qū)域?yàn)镻N結(jié)。
在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后,由于N型區(qū)內(nèi)自由電子為多子空穴幾乎為零稱為少子,而P型區(qū)內(nèi)空穴為多子自由電子為少子,在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差。由于自由電子和空穴濃度差的原因,有一些電子從N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散,也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散。它們擴(kuò)散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴,留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子,N區(qū)一邊失去電子,留下了帶正電的雜質(zhì)離子。開(kāi)路中半導(dǎo)體中的離子不能任意移動(dòng),因此不參與導(dǎo)電。這些不能移動(dòng)的帶電粒子在P和N區(qū)交界面附近,形成了一個(gè)空間電荷區(qū),空間電荷區(qū)的薄厚和摻雜物濃度有關(guān)。
在空間電荷區(qū)形成后,由于正負(fù)電荷之間的相互作用,在空間電荷區(qū)形成了內(nèi)電場(chǎng),其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。顯然,這個(gè)電場(chǎng)的方向與載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反,阻止擴(kuò)散。
另一方面,這個(gè)電場(chǎng)將使N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移,使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移,漂移運(yùn)動(dòng)的方向正好與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補(bǔ)充了原來(lái)交界面上P區(qū)所失去的空穴,從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補(bǔ)充了原來(lái)交界面上N區(qū)所失去的電子,這就使空間電荷減少,內(nèi)電場(chǎng)減弱。因此,漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。
最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè),留下離子薄層,這個(gè)離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)。在空間電荷區(qū),由于缺少多子,所以也稱耗盡層。
pn結(jié)的電容效應(yīng)
PN結(jié)的電容效應(yīng)限制了二極管三極管的最高工作效率,PN結(jié)的電容效應(yīng)將導(dǎo)致反向時(shí)交流信號(hào)可以部分通過(guò)PN結(jié),頻率越高則通過(guò)越多。
二極管,三極管反向的時(shí)候,PN結(jié)兩邊的N區(qū)和P區(qū)仍然是導(dǎo)電的,這樣兩個(gè)導(dǎo)電區(qū)就成了電容的兩個(gè)電極。從而構(gòu)成PN結(jié)的電容效應(yīng)。
為了減小這個(gè)電容,會(huì)減小PN結(jié)面積或增加PN結(jié)厚度,并且一般用勢(shì)壘電容,擴(kuò)散電容來(lái)等效。
PN結(jié)的電容效應(yīng)——擴(kuò)散電容
PN結(jié)正向?qū)щ姇r(shí),多子擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域后,在PN結(jié)邊界上積累,并有一定的濃度分布。積累的電荷量隨外加電壓的變化而變化,當(dāng)PN結(jié)正向電壓加大時(shí),正向電流隨著加大,這就要求有更多的載流子積累起來(lái)以滿足電流加大的要求;而當(dāng)正向電壓減小時(shí),正向電流減小,積累在P區(qū)的電子或N區(qū)的空穴就要相對(duì)減小,這樣,當(dāng)外加電壓變化時(shí),有載流子的向PN結(jié)“充入”和“放出”。,PN結(jié)的擴(kuò)散電容CD描述了積累在P區(qū)的電子或N區(qū)的空穴隨外加電壓的變化的電容效應(yīng)。
CD是非線性電容,PN結(jié)正偏時(shí),CD較大,反偏時(shí)載流子數(shù)目很少,因此反偏時(shí)擴(kuò)散電容數(shù)值很小。一般可以忽略。
PN結(jié)的電容效應(yīng)——?jiǎng)輭倦娙?/strong>
在一定條件下,PN結(jié)顯現(xiàn)出充放電的電容效應(yīng)。不同的工作情況下的電容效應(yīng),分別用勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容予以描述。
勢(shì)壘電容CB
勢(shì)壘電容CB描述了PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)空間電荷隨電壓變化而產(chǎn)生的電容效應(yīng)。PN結(jié)的空間電荷隨外加電壓的變化而變化,當(dāng)外加電壓升高時(shí),N區(qū)的電子和P區(qū)空穴進(jìn)入耗盡區(qū),相當(dāng)于電子和空穴分別向CB“充電”,如圖(a)所示。當(dāng)外加電壓降低時(shí),又有電子和空穴離開(kāi)耗盡區(qū),好像電子和空穴從CB放電,如圖(b)所示。CB是非線性電容,電路上CB與結(jié)電阻并聯(lián)。在PN結(jié)反偏時(shí)結(jié)電阻很大,CB的作用不能忽視,特別是在高頻時(shí),它對(duì)電路有較大的影響。
評(píng)論