電子技術(shù)基礎(chǔ)-1.1PN結(jié)

1、赤壁市機(jī)電信息技術(shù)學(xué)校楊展Email ：1 1 PN結(jié)的形成過(guò)程2 2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 3 PN結(jié)的伏安特性4 4 PN結(jié)的擊穿5 5 PN結(jié)的結(jié)電容一.PN結(jié)的形成1.PN結(jié)的定義 雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然比本征半導(dǎo)體極大增強(qiáng)，但它們并不能稱為半導(dǎo)體器件。在電子技術(shù)中，PN結(jié)是一切半導(dǎo)體器件的和技術(shù)起始點(diǎn)。 在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。此時(shí)將在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成一個(gè)，稱之為。一.PN結(jié)的形成2.PN結(jié)的形成過(guò)程因多子濃度差形成內(nèi)電場(chǎng)多子的擴(kuò)散 空間電荷區(qū) 阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移。P、N結(jié)合一.PN結(jié)的形成2.PN結(jié)的形

2、成過(guò)程P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)一.PN結(jié)的形成2.PN結(jié)的形成過(guò)程 因電場(chǎng)作用所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。 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，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運(yùn)動(dòng) 由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場(chǎng)，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。內(nèi)電場(chǎng)使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N 區(qū)運(yùn)動(dòng)。一.PN結(jié)的形成2.PN結(jié)的形成過(guò)程一.PN結(jié)的形成幾點(diǎn)說(shuō)明：2.PN結(jié)內(nèi)部載流子基本為零，因此導(dǎo)電率很低，相當(dāng)于介質(zhì)。但 PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)導(dǎo)電率

3、很高，相當(dāng)于導(dǎo)體，這一點(diǎn)和電容 比較相似，所以說(shuō)PN結(jié)具有。1.當(dāng)擴(kuò)散與漂移作用平衡時(shí) a. 流過(guò)PN結(jié)的凈電流為零 b. PN結(jié)的厚度一定（約幾個(gè)微米） c. 接觸電位一定（約零點(diǎn)幾伏）3.空間電荷區(qū)中載流子很少，可忽略，又稱該區(qū)為耗盡層。PN 結(jié)內(nèi)部從N區(qū)到P區(qū)存在電位差，因此又稱勢(shì)壘層。4.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P中的空穴.N區(qū) 中的電子（都是多 子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。5.P 區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因 此由它們形成的電流很小。二.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的正偏與反偏PN 結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P 區(qū)接電源正極（高電位）、N 區(qū)接電源負(fù)

4、極（低點(diǎn)位）。此時(shí)外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反 PN 結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是： P區(qū)加負(fù)、N 區(qū)加正電壓。此時(shí)外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同。外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng) 耗盡層變窄，等效電阻減小多子擴(kuò)散形成正向電流I F擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)耗盡層變寬，等效電阻增大漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)少子漂移形成反向電流I R二.PN結(jié)的單向?qū)щ娦远?PN結(jié)的單向?qū)щ娦远?PN結(jié)的單向?qū)щ娦詭c(diǎn)說(shuō)明： 1.PN結(jié)正偏特點(diǎn)：PN結(jié)厚度變薄，等效電阻很小，內(nèi)部電流較大；反偏特點(diǎn)：P結(jié)厚度變厚，等效電阻很大，內(nèi)部電流幾乎為0.3.在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無(wú)

5、關(guān)，所以稱為。但 2.PN結(jié)的上述“”作用，說(shuō)明它具有，PN結(jié)的單向?qū)щ娦允撬鼧?gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。三.PN結(jié)的伏安特性曲線 PN結(jié)兩端的電壓與流過(guò)的電流之間的關(guān)系稱為，可以用來(lái)描述。伏安特性曲線是在以電壓為橫軸、電流為縱軸的坐標(biāo)平面上作出的曲線。繪制方法：先測(cè)量出一系列的某器件上的電壓和電流值，再在坐標(biāo)平面上標(biāo)記出對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，最后再用光滑的曲線連接這些點(diǎn)，即可得到這一器件的伏安特性曲線。三.PN結(jié)的伏安特性曲線1.PN結(jié)伏安特性曲線分區(qū)U(V)0.500.8-50-25I (mA)204060 ( A)4020 PN結(jié)的伏安特性呈非線性，特性曲線上大致可分為四個(gè)區(qū)： 外加正向電壓超過(guò)死區(qū)電壓(

6、硅管0.5V，鍺管0.1V)時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)大大削弱，正向電流迅速增長(zhǎng)，PN結(jié)進(jìn)入。 當(dāng)外加正向電壓很低時(shí)，由于外電場(chǎng)還不能克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻力，故正向電流很小，幾乎為零。這一區(qū)域稱之為。 外加反向電壓超過(guò)反向擊穿電壓UBR時(shí)，反向電流突然增大，PN結(jié)失去單向?qū)щ娦裕M(jìn)入。內(nèi)反向飽和電流很小，可近似視為零值。三.PN結(jié)的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I (mA)204060 ( A)4020死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū) 當(dāng)外加正向電壓大于死區(qū)電壓時(shí)，二極管由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通，電壓再繼續(xù)增加時(shí)，電流迅速增大，而二極管端電壓卻幾乎不變，此時(shí)二極管端電壓稱為正向?qū)?/p>

7、壓。 硅二極管的正向?qū)妷杭s為0.7V，鍺二極管的正向?qū)妷杭s為0.3V。 在二極管兩端加反向電壓時(shí)，將有很小的、由少子漂移運(yùn)動(dòng)形成的反向飽和電流通過(guò)二極管。 反向電流有兩個(gè)特點(diǎn)：一是它隨溫度的上升增長(zhǎng)很快，二是在反向電壓不超過(guò)某一范圍時(shí)，反向電流的大小基本恒定，而與反向電壓的高低無(wú)關(guān)(與少子的數(shù)量有限)。所以通常稱它為反向飽和電流。2.正向?qū)▍^(qū)和反向截止區(qū)分析四.PN結(jié)的反向擊穿反向擊穿：當(dāng)反向電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增加的 現(xiàn)象稱為反向擊穿（電擊穿）。若不加限流措施， PN結(jié)將過(guò)熱而損壞，此稱為熱擊穿。熱擊穿（大電流）不可逆 雪崩擊穿 齊納擊穿 電擊穿可逆四.PN結(jié)的反向擊穿

8、：當(dāng)反向電壓增加時(shí)，空間電荷區(qū)的電場(chǎng)隨之增強(qiáng)，使通過(guò)空間電荷區(qū)的電子和空穴獲得的能量增大，當(dāng)它們與晶體中的原子發(fā)生碰撞時(shí)，足夠大的能量將導(dǎo)致碰撞電離。而新產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在電場(chǎng)的作用下，同樣會(huì)與晶體中的原子發(fā)生碰撞電離，再產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，形成載流子的。當(dāng)反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，這種情況就象發(fā)生雪崩一樣，載流子增加得多而快，使反向電流急劇增加，于是導(dǎo)致了PN結(jié)的雪崩擊穿。：齊納擊穿的機(jī)理與雪崩擊穿不同。在較高的反向電壓作用下，空間電荷區(qū)的電場(chǎng)變成強(qiáng)電場(chǎng)，有足夠的能力破壞共價(jià)鍵，使束縛在共價(jià)鍵中的電子掙脫束縛而形成電子-空穴對(duì)，造成載流子數(shù)目的急劇增加，從而導(dǎo)致了PN結(jié)的齊納擊穿。五.P

9、N結(jié)的結(jié)電容1. 勢(shì)壘電容 勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。 當(dāng)外加反向電壓（漂移）使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，耗盡層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電（變?nèi)荻O管）。五.PN結(jié)的結(jié)電容2. 擴(kuò)散電容 PN結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子（非平衡少子），與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，到遠(yuǎn)離交界面處，形成一定的濃度梯度分布曲線。電壓增大，正向（擴(kuò)散）電流增大。擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。擴(kuò)散電容示意圖能否說(shuō)出PN結(jié)有何特性？半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理與金屬導(dǎo)體有何不同？什么是本征激發(fā)？什么是復(fù)合？少數(shù)載流子和多數(shù)載流子是如何產(chǎn)生的 ？ 空間電荷區(qū)的電阻率為什么很 高？單擊添加文字單擊此