采用不同的掺杂工艺,将p型半导体与n型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称pn结。pn结具有单向导电性。
pn结:一块单晶半导体中 ,一部分掺有受主杂质是p型半导体,另一部分掺有施主杂质是n型半导体时 ,p 型半导体和n型半导体的交界面附近的过渡区称。pn结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的 pn 结叫同质结 ,由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的pn结叫异质结。制造pn结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法。
pn结加正向电压时,可以有较大的正向扩散电流,即呈现低电阻, 我们称pn结导通; pn结加反向电压时,只有很小的反向漂移电流,呈现高电阻, 我们称pn结截止。 这就是pn结的单向导电性。
(1) 加正向电压(正偏)——电源正极接p区,负极接n区
外电场的方向与内 电场方向相反。 外电场削弱内电场→ 耗尽层变窄→扩散运动>>漂移运动→多子扩散形成正向电流(与外电场方向一致)i f
(2) 加反向电压(反偏)——电源正极接n区,负极接p区
外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动>>扩散运动→少子漂移形成反向电流i r
单向导电性是 二极管最重要的特性。利用单向导电性可以判断二极管的好坏,正偏时电阻值小,反偏时电阻值大,否则,二极管是损坏了的。
pn结为什么只有单向导电性?
pn结的导通就是在pn结上外加一电压 ,如果p型一边接正极 ,n型一边接负极,电流便从p型一边流向n型一边,空穴和电子都向界面运动,使空间电荷区变窄,甚至消失,电流可以顺利通过。
如果n型一边接外加电压的正极,p型一边接负极,则空穴和电子都向远离界面的方向运动,使空间电荷区变宽,电流不能流过。这是pn结的截止。因此pn结具用单向导电性。
从pn结的形成原理可以看出,要想让pn结导通形成电流,必须消除其空间电荷区的内部电场的阻力。很显然,给它加一个反方向的更大的电场,即p区接外加电源的正极,n区结负极,就可以抵消其内部自建电场,使载流子可以继续运动,从而形成线性的正向电流。
而外加反向电压则相当于内建电场的阻力更大,pn结不能导通,仅有极微弱的反向电流(由少数载流子的漂移运动形成,因少子数量有限,电流饱和)。当反向电压增大至某一数值时,因少子的数量和能量都增大,会碰撞破坏内部的共价键,使原来被束缚的电子和空穴被释放出来,不断增大电流,最终pn结将被击穿(变为导体)损坏,反向电流急剧增大。
这就是pn结的特性(单向导通、反向饱和漏电或击穿导体),也是晶体管和集成电路最基础、最重要的物理原理,所有以晶体管为基础的复杂电路的分析都离不开它。比如二极管就是基于pn结的单向导通原理工作的;而一个pnp结构则可以形成一个三极管,里面包含了两个pn结。二极管和三极管都是电子电路里面最基本的元件。
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