PN结教程

在本教程中,我们将了解半导体电子器件中最重要的概念之一.. PN结。尽管在PN结二极管的概念之外没有讨论,但有时晶体管,PN结是半导体电子中的必要主题。

因此,在这个PN结合教程中,我们将讨论PN结的一些基础,如何形成PN结,PN结的特征以及许多其他方面。

介绍

在谈论像二极管,晶体管等这样的半导体器件时,PN结形成了它的基础。例如,少数半导体器件如光电导体通常通过掺杂单一类型的杂质而形成。但这是一个有限的案例场景,并且大多数半导体器件都需要两种类型的掺杂。

PN结基本上是通过在半导体晶体的一边引入(称为掺杂)受体杂质而另一边掺杂施主杂质而形成的。

这两个区域之间的界面称为PN结。

半导体电子基础知识

半导体如硅或锗的导电性取决于导电带内载流子的浓度。电导率的性质取决于掺杂过程中掺杂剂的数量。

硅的电导率由因子10累积3.在室温下每10个硼原子中加入1个硼原子5.硅原子。

在硅晶体中掺杂五价杂质如锑,可以得到n型半导体;在硅晶体中掺杂三价杂质如硼,浓度很小,可以得到p型半导体。

锑和硼都是掺杂过程中必不可少的半导体杂质;因此,它们被称为“类金属”。n型和p型半导体各自都是电中性的。

如何形成pn结?

通过将晶体的一侧用受体杂质原子掺杂晶体的一侧以p型并掺杂与供体杂质原子的相对侧作为n型,在单个半导体晶体中形成PN结。p型和n型收敛被称为pn结的区域。

在PN结的区域中,N型材料中的电子散射结结合并与p型材料中的孔组合。靠近半导体结合的P型材料的区域采用负电荷,以便对电子被孔吸引电子。

当电子从n型区域脱离时,它需要正电荷。因此,在连接点处,自由电子倾斜以扩散到p型区域和n型区域的孔中,并且该过程被命名为扩散。

在这两个区域夹在这两个区域之间的瘦身层被多数载体耗尽被称为耗尽区。PN结的平衡状态被定义为在没有施加到其上的任何外部电位的情况下留下PN结的状态。

PN联盟教程电中性

这也可以另外定义为零电压偏置条件的状态。耗尽区域的宽度非常薄,通常几千毫米,电流可能不会流过二极管。

施加电势时PN结

根据耗尽区宽度的不同,可以注意到不同的性质。如果在这样的地方施加正电位,P型区域就变成正的,因此N型变成负的,空穴向负电压移动。

同样地,电子向正电压移动并跃过耗尽层。耗尽区p型电荷密度被带负电荷的受体离子填充,使n型电荷密度变为正电荷。

潜在屏障构成PN结中间电荷载体的分区。这种潜在的屏障应通过外部电位资源克服,使PN结是导电电流。

半导体二极管中结和势垒的形成贯穿于PN结半导体二极管的整个制造过程。势垒的大小可能与制造PN结二极管所用的材料有关。

硅PN结半导体二极管具有比PN结二极管的优异的势垒幅度。

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PN结

通过在相同的半导体晶体本身内粘附P型和n型来制造PN结。P型中的大多数电荷载体是带正电的孔,并且在N型中是带负电的电子。

PN结的两侧的整体电荷必须相等,相反,以便由于电子 - 孔对而在结局周围保持中性电荷条件。在多次复制电荷载波的p型和n型之间的层被指示为耗尽区域。

在平衡状态下,在PN结没有传导。PN结的传导涉及大多数电荷载流子扩散和少数抗载体漂移。PN交界处的电流传导物理上涉及传导带和价带。

一旦外部电池被外部电池就提供了电子流在导通带中发生,而孔的流动发生在价带中。

在零电压偏置平衡条件下,空穴和电子的少数浓度在合并电场e的影响下简单地漂移。多数载流子的扩散必须穿过PN结的势垒VB,势垒VB是耗尽区作用的结果。

这意味着n型和p型的多数载流子至少要达到qVB电子伏(eV)的能量,才能越过势垒扩散到p型或n型区域。

从PN结的N侧的电子移向PN结的P侧湮灭的孔产生潜在的阻挡电压。硅胶电压的值在硅中接近0.6至0.7V,在锗中0.3V,随着不同半导体的掺杂水平而变化。

与彼此接触的p型和n型半导体的块没有可利用的属性。外部电压源必须跨越潜在屏障,使PN交界处进行电力。如果电位源以这样的方式连接,则正端子连接到P侧,负端子连接到N侧。

负端子向n型提供电子以朝向耗尽层扩散。同样,正端子在p型产生孔朝向耗尽区域中去除电子中的电子。

如果电池供电足够大以克服阻挡电压,则来自n型和p型的多数电荷载体组合并耗尽结。结果,只要施加的电位大于潜在屏障,就会复制更多数量的电荷载波并流向耗尽区域。

因此,大部分电荷电流被传导并流向结。在这种方法中,一旦电流由多数载流子传导,PN结被称为正向偏置。

如果电池端子颠倒,则n型载流子的多数被PN结的正极所吸引,孔被远离PN结的负极所吸引。

耗尽层的宽度随所施加的电位而增加,因此不发生耗尽层处的电荷载体的重组。因此,没有电流的传导。在此方法中,据说PN结逆转偏向。

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内建PN结势

N型区域中的多个电荷载流子,即电子可以通过P型区域I.孔中的多分子电荷载体重新结合连接点。结果,由于三价杂质硼原子具有静电负电荷,因此在p型区域中产生负静态空间电荷,因为它们在价带中释放带正电的孔。

而由于类似的原因,n型区域形成了一个正的空间电荷。产生空间电荷的小体积称为空间电荷区或损耗区。由于在这个小体积中有一个强大的电场,在热平衡状态下自由载流子的密度可以忽略不计。

如果p型和n型半导体具有更轻,则在耗尽层处开发可能的潜在屏障。实际上,静态空间电荷在PN结的边界处累积,n型区域和p型区域中的负电荷中的正电荷产生从n型到p型的电场,这会导致电子和孔的扩散和添加重组。

通过形成内部电场停止扩散。由于PN结的任一侧存在这种双层电荷,潜在的屏障在耗尽区内急剧变化,并且电位差Vd,称为扩散电位或内置电位达到不可忽略的值。

静电电位恒定在晶体上与空间充电区一起,因为这种潜力不仅考虑了电场,而且考虑了电磁场的浓度。由于电荷载体的浓度而建立的潜力可以准确地补偿静电势。

内嵌势或扩散势正比于两种无界半导体的费米能量之差:

E =(1 / Q)* {eFP.- E.FN.} =(kt / q)ln {[n一种ND.] / n2}

在哪里

  • E是零偏置结电压
  • (kt / q)室温下的热电压为26mV。
  • N一种和nB.是受体原子和供体原子的杂质浓度
  • n是内在浓度。

半导体的内置电位或结电位等于热平衡状态下耗尽区域的电位。随着热平衡意味着在整个PN二极管装置中,费米能量是恒定的。

因此,导带和价带的费米能量向上或向下移动,并在耗尽层区域表现出光滑的偏差。因此,在p型和n型区域之间存在一个等于qV的静电势能差天。

克服结电势所需的外部电位依赖于操作温度以及半导体种类。即使外部电位未被施加到半导体,也存在由于电子 - 孔对引起的一些阻挡电位。

在单个半导体上形成PN结,并在半导体表面周围铺设电触点,以实现外部电源的电连接。因此,最终的器件被称为PN结二极管或信号二极管。

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