PN结教程

在本教程中,我们将学习半导体电子学中最重要的概念之一ob直播app,即PN结。欧宝官网app苹果下载虽然在PN结二极管和晶体管的概念之外,对PN结的讨论并不多,但PN结是半导体电子学中的一个基本主题。欧宝娱乐可靠吗

因此,在本PN结教程中,我们将讨论PN结的一些基础知识、PN结是如何形成的、PN结的特性以及许多其他方面。

介绍

当谈到二极管、晶体管等半导欧宝官网app苹果下载体器件时,PN结是其基础。例如,像光电导体这样的半导体器件很少是通过掺杂单一类型的杂质形成的。但这是一种有限的情况,大多数半导体器件都需要这两种类型的掺杂。

PN结基本上是通过在半导体晶体的一侧引入(称为掺杂)受主杂质,而另一侧掺杂施主杂质而形成的。

这两个区域之间的界面称为PN结。

半导体电子基础欧宝娱乐可靠吗

半导体(例如硅或锗)的导电性取决于导带内电载流子的浓度。导电性能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个硼原子添加1个硼原子5.硅原子。

N型半导体是通过向硅晶体中掺杂锑等五价杂质而形成的,而P型半导体是通过向硅晶体中掺杂微量浓度的硼等三价杂质而形成的。

锑和硼都是掺杂过程中使用的基本半导体杂质;因此,它们被称为“类金属”。N型和P型半导体分别是电中性的。

PN结是如何形成的?

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结区域,N型材料中的电子散射结并与P型材料中的空穴结合。靠近半导体结的P型材料区域带负电荷,这是因为电子被空穴吸引。

当电子离开N型区域时,它带上正电荷。因此,在结处,自由电子倾向于扩散到P型区,空穴倾向于扩散到N型区,这一过程称为扩散。

夹在这两个区域之间的薄层被耗尽,大多数载流子被称为耗尽区。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结电中性

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。

施加电势时的PN结

根据耗尽区的宽度,可以发现不同的性质。如果在这样远的地方施加正电势,则P型区域变为正,因此N型区域变为负,空穴向负电压移动。

同样地,电子向正电压移动并跳过耗尽层。耗尽区的P型电荷密度充满带负电荷的受主离子,因此N型电荷密度变为正。

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发生在PN结半导体二极管的整个制造过程中。势垒的程度可能是用于制造PN结二极管的材料的函数。

硅PN结半导体二极管比锗PN结二极管具有优异的势垒量级。

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PN结

PN结是通过将P型和N型都粘在同一个半导体晶体内来制作的。P型中的大部分载流子是带正电荷的空穴,N型中的大部分载流子是带负电荷的电子。

PN结两侧的总电荷必须相等且相反,以保持结周围由于电子-空穴对而产生的中性电荷状态。P型和N型之间的层(其中电荷载流子被多次复制)被称为耗尽区。

在平衡状态下,PN结不发生传导。PN结的导通包括多数载流子的扩散和少数载流子的漂移。PN结中电流的传导物理上涉及导带和价带。

一旦提供了外部电池,电子的流动发生在导带,而空穴的流动发生在价带。

在零电压偏置平衡条件下,空穴和电子的少数浓度在外加电场E的影响下简单漂移。大多数载流子的扩散必须穿过由于耗尽区效应而形成的PN结势垒VB。

这意味着N型和P型的大多数电荷载体应至少达到qVB电子伏特(eV)的能量,然后才能越过势垒并扩散到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。

相互接触的P型和N型半导体块没有可利用的特性。外部电压源必须穿过势垒,使PN结导电。如果电势源的连接方式为正极端子连接到P侧,负极端子连接到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。

如果电池电源足够大,足以克服势垒电压,则来自N型和P型的大多数电荷载体结合并耗尽结。结果,只要施加的电势大于势垒,更多数量的电荷载流子被复制并流向耗尽区。

因此,大部分充电电流被传导并流向结。在这种方法中,一旦电流由于大多数载流子而导通,PN结就被称为正向偏置。

如果蓄电池端子反向,则N型的大多数电荷载体被PN结的正极端子吸引,孔被远离PN结的负极端子吸引。

耗尽层的宽度随着外加电势的增加而增加,因此不会在耗尽层发生载流子复合。因此,电流不会传导。在这种方法中,PN结被称为反向偏置。

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PN结内建电位

N型区域中的大多数载流子,即电子可以穿过结,以便与P型区域中的大多数载流子,即空穴重新结合。因此,由于三价杂质硼原子在价带中释放出带正电荷的空穴,因此在P型区域形成负静态空间电荷。

然而,由于类似的原因,在N型区域中形成正空间电荷。产生空间电荷的小体积称为空间电荷区或耗尽区。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。

内置势或扩散势与两个无界半导体的费米能量之差成正比:

E =(1 / Q)* {eFP.–EFN.}=(kT/q)ln{[NA.ND]/n2.}

哪里

  • E是零偏压结电压
  • (kt / q)室温下的热电压为26mV。
  • NA.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平滑的偏差。因此,在P型和N型区域之间存在静电势能差,等于qVD

克服结电势所需的外部电势取决于工作温度和半导体的种类。即使外部电势不施加在半导体上,由于电子-空穴对,也存在一些势垒电势。

PN结形成在单个半导体上,并且电触点布置在半导体表面周围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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前代半导体器件

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