PN結(jié)的形成及特性-課件

PN結(jié)的形成及特性3.2.1載流子的漂移與擴(kuò)散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++N++++++++++++++++++++++++++++++++++++以N型半導(dǎo)體為基片通過半導(dǎo)體擴(kuò)散工藝2使半導(dǎo)體的一邊形成N型區(qū)，另一邊形成P型區(qū)。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------3

左邊是P型半導(dǎo)體，右邊是N型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體里面還畫出了它的少子（自由電子）（一個小點），N型半導(dǎo)體里面也畫出了它的少子（空穴）（一個小圓圈）.P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體少子(自由電子)少子(空穴)N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------4N區(qū)有許多自由電子（多數(shù)載流子）和幾個由于熱產(chǎn)生的空穴（少數(shù)載流子），而P區(qū)有許多空穴（多數(shù)載流子）和幾個由于熱產(chǎn)生的自由電子（少數(shù)電子）。PN結(jié)構(gòu)成了基本的二極管。二極管是只允許電流往一個方向流動的元件。P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體少子(自由電子)少子(空穴)N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------5(1)在濃度差的作用下，電子從N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------6(2)在濃度差的作用下，空穴從P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------7大家應(yīng)該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流8

在濃度差的作用下，兩邊多子互相擴(kuò)散。由于他們的量比較大，我們稱作多子在進(jìn)行擴(kuò)散運動.擴(kuò)散運動N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------9擴(kuò)散運動空間電荷層擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------10形成內(nèi)電場內(nèi)電場(E)方向

一旦擴(kuò)散以后，在它的介面上，就剩下了正離子和負(fù)離子，這時候就存形成一個電場.方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。這個電場是在內(nèi)部形成的，稱為內(nèi)電場E.N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------11

漂移運動

電場的的方向是從正離子往負(fù)離子走。電場的作用就會促進(jìn)少數(shù)載流子的運動，自由電子從低電位往髙電位走，空穴是從髙電位往底電位走，由于少子的運動很弱(數(shù)量很少)，少子的運動叫做漂移運動。內(nèi)電場EN++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------12

內(nèi)電場會促進(jìn)少子的漂移運動，也抑制了多子的擴(kuò)散運動，雖然少子的量很少，隨著漂移的增強(qiáng)，而擴(kuò)散是越來越弱，最終會達(dá)到一種平衡。此時我們在這個空間就相當(dāng)于有這么一個結(jié)，這個結(jié)不是面，是一段寬度，這段寬度就叫做PN結(jié)。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------內(nèi)電場(E)方向3.2.2PN結(jié)的形成13PN結(jié)一方面阻礙多子的擴(kuò)散，另一方面加速少子的漂移

漂移運動擴(kuò)散運動N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------14P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體擴(kuò)散運動擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。內(nèi)電場越強(qiáng)，漂移運動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。

漂移運動內(nèi)電場E

因為在PN結(jié)上只剩下了正負(fù)離子(正負(fù)電荷)，也可以稱作空間電荷區(qū).N區(qū)中的導(dǎo)電電子為了進(jìn)入P區(qū)，必須克服正離子的吸引和負(fù)離子的排斥力。在粒子層建立后，PN結(jié)內(nèi)的區(qū)域?qū)嶋H上已經(jīng)耗盡了導(dǎo)電電子和空穴，所以PN結(jié)也稱作是耗盡層。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------15空間電荷層

在P區(qū)和N區(qū)交界面上，留下了一層不能移動的正、負(fù)離子。在介面上自由電子和空穴就結(jié)合了。

漂移運動內(nèi)電場E擴(kuò)散運動N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------16形成電位勢壘勢壘V0電位V

電場的的方向是從髙電位往底電位走，就是從正離子往負(fù)離子走，于是N區(qū)一邊的電位高于P區(qū)一邊，如圖所示。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------17當(dāng)擴(kuò)散與漂移作用平衡時a.流過PN結(jié)的凈電流為零b.PN結(jié)的厚度一定（約幾個微米）c.接觸電位一定（約零點幾伏）N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------18PN結(jié)形成過程動畫演示19

擴(kuò)散使PN結(jié)變寬，使它的內(nèi)電場變強(qiáng)，而漂移的作用又使空間電荷區(qū)變薄，最終PN結(jié)穩(wěn)定在一定的寬度.P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體一結(jié)合，在交界面上形成了穩(wěn)定的電層，我們利用PN結(jié)的這個特性了解它是如何具備單向?qū)щ娦?

還要利用這個特性設(shè)計制造二極管和三極管。

201.空間電荷區(qū)中沒有載流子。只剩下正負(fù)離子.2.空間電荷區(qū)由于存在內(nèi)電場，內(nèi)電場阻礙P區(qū)中的空穴(多子)運動.由于多子很多我們稱作擴(kuò)散運動。促進(jìn)了少子的漂移運動.，3.P區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。小結(jié)4.隨著內(nèi)電場的增強(qiáng)，擴(kuò)散運動越來越緩慢，此時它就達(dá)到了動態(tài)平衡.21

一個PN結(jié)就是一個二極管，在平衡狀態(tài)下，PN結(jié)中沒有電流。PN結(jié)最重要的特性是單向?qū)щ娞匦?。實驗：PN結(jié)的導(dǎo)電性。按如下方式進(jìn)行PN結(jié)導(dǎo)電性的實驗，因為PN結(jié)加上封裝外殼和電極引線就是二極管，所以拿一個二極管來當(dāng)成PN結(jié)。P區(qū)為正極；N區(qū)為負(fù)極。對于圖示的實驗電路。二極管正向連接二極管反向連接3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2仿真P

此時發(fā)光二極管發(fā)光，說明PN結(jié)導(dǎo)電。

若P區(qū)的電位高于N區(qū)，電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；PN結(jié)正向偏置——當(dāng)外加直流電壓使PN結(jié)P型半導(dǎo)體的一端的電位高于N型半導(dǎo)體一端的電位時（也就是允許電流流過PN結(jié)的條件），稱PN結(jié)正向偏置，簡稱正偏。注：偏置就是指加在半導(dǎo)體元件上設(shè)置其工作條件的固定直流電壓。23PN結(jié)正向偏置------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++E24------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++E＋－

當(dāng)直流電源將二極管正向偏置后，由于靜電場的作用，電源的負(fù)端將N區(qū)中的導(dǎo)電電子推向PN結(jié)，而電源的正端也將P區(qū)中的空穴推向PN結(jié)。正向電流25

當(dāng)外加的偏置電壓足以克服勢壘電位時，電子就有足夠的能量進(jìn)入耗盡層并越過PN結(jié)。與P區(qū)中空穴復(fù)合。當(dāng)這些電子離開N區(qū)后，會有更多的電子從電源的負(fù)端流出。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++E26

因此，導(dǎo)電電子（多數(shù)載流子）朝著PN結(jié)方向的移動產(chǎn)生了N區(qū)的電流。這些導(dǎo)電電子進(jìn)入P區(qū)后與空穴復(fù)合，變成價電子。然后，價電子會一個一個空穴地向陽極方向移動。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++E27

價電子的移動實際上產(chǎn)生了空穴反方向的移動。所以P區(qū)中電流是由空穴（多數(shù)載流子）朝著PN結(jié)方向移動產(chǎn)生的。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++E28PN結(jié)正偏動畫演示外電場削弱內(nèi)電場→耗盡層變窄→擴(kuò)散運動＞漂移運動→多子擴(kuò)散形成正向電流IFPN結(jié)內(nèi)的電流由起支配地位的擴(kuò)散電流決定，稱為正向電流。29

此時發(fā)光二極管不發(fā)光，說明PN結(jié)不導(dǎo)電。這個實驗說明PN結(jié)（二極管）具有單向?qū)щ娦浴?/p>

若P區(qū)的電位低于N區(qū)，電流從N區(qū)流到P區(qū)，PN結(jié)呈高阻性，所以電流小。PN結(jié)反向偏置——當(dāng)外加直流電壓使PN結(jié)N型半導(dǎo)體的一端的電位高于P型半導(dǎo)體一端的電位時（阻止電流流過PN結(jié)的偏置條件），稱PN結(jié)反向偏置，簡稱反偏。仿真P2．PN結(jié)反向偏置30PN結(jié)變寬2．PN結(jié)反向偏置反向偏置是阻止電流流過PN結(jié)的偏置條件。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++E31

由于異性電荷相互吸引，電源的負(fù)端吸引P區(qū)中的空穴，而電源的正端吸引N區(qū)中的電子，使空穴和電子均遠(yuǎn)離PN結(jié)。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++E32

因此，耗盡層變寬，N區(qū)中的正離子和P區(qū)中的負(fù)離子增加，直到兩邊的勢壘差等于外加偏置電壓。因此，當(dāng)二極管反相偏置時，耗盡層相當(dāng)于兩個反相的帶電離子層之間的絕緣體。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++E33內(nèi)電場增強(qiáng)PN結(jié)變寬PN結(jié)呈現(xiàn)高阻、截止?fàn)顟B(tài)不利多子擴(kuò)散有利少子漂移2．PN結(jié)反向偏置外電場加強(qiáng)內(nèi)電場→耗盡層變寬→漂移運動＞擴(kuò)散運動→少子漂移形成反向電流。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++E34

因少子濃度主要與溫度有關(guān)，此電流稱為反向飽和電流。有時候稱作漏電流。這個漏電流的多少基本上是由本征激發(fā)所決定的.------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++E35PN結(jié)反偏動畫演示由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?6

PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。演示A02204

PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況37按電容的定義

即電壓變化將引起電荷變化,從而反映出電容效應(yīng)。由于二極管的兩個極靠的就是PN結(jié)，所以極間電容也稱作結(jié)電容，而ＰＮ結(jié)兩端加上電壓,ＰＮ結(jié)內(nèi)就有電荷的變化,說明ＰＮ結(jié)具有電容效應(yīng)。ＰＮ結(jié)極間電容主要具有是兩部分兩種電容：一部分稱作勢壘電容，一個叫做擴(kuò)散電容。3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)381.勢壘電容CB

勢壘電容：當(dāng)外加電壓發(fā)生改變了，PN結(jié)的寬度也要相應(yīng)發(fā)生改變，PN結(jié)中里面的正負(fù)電荷數(shù)量要隨之而改變，電荷的改變就好像是電容在充、放電。這顯示出來就是一種電容效應(yīng)，把這種電容效應(yīng)就稱作是勢壘電容。

勢壘區(qū)就是積累空間電荷的區(qū)域，也就是PN結(jié)，當(dāng)外界電壓發(fā)生變化時候，PN結(jié)中的電荷量發(fā)生變化，表現(xiàn)出來的電容就是勢壘電容。用ＣB表示。理論推導(dǎo)39

阻擋層內(nèi)電荷量隨外加電壓變化

勢壘電容是由阻擋層內(nèi)空間電荷引起的?？臻g電荷區(qū)是由不