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半導(dǎo)體與PN結(jié)

作者:佚名    文章來源:本站原創(chuàng)    點(diǎn)擊數(shù):    更新時間:2016-10-14
半導(dǎo)體是導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種物質(zhì)。如用以制造二極管的主要材料--硅和鍺,它們就是一種半導(dǎo)體。硅和鍺都屬于四價元素。當(dāng)在半導(dǎo)體中進(jìn)行微量的"摻雜"的時候,半導(dǎo)體的導(dǎo)電能馬上會成百萬倍的增加。"摻雜",就是在半導(dǎo)體中加進(jìn)微量的、有用的、特定的雜質(zhì)。如磷或硼等。 
  如在硅單晶半導(dǎo)體中摻入少量的五價元素(P),則磷原子就會與硅原子組成共價鍵結(jié)構(gòu)。由于磷原子的數(shù)目比硅原子要少得多,因此整個晶體結(jié)構(gòu)基本不變,只是某些位置上硅原子被磷原子所代替。由于具有五個價電子,所以一個磷原子同相鄰的四個硅原子組成共價鍵時,還多余一個價電子。這個價電子沒有被束縛在共價鍵內(nèi),只受到磷原子核的吸引,所以它受到的束縛力比較小,很容易掙脫束縛變成自由電子,從而使硅單晶中自由電子的數(shù)目大大增加。而磷原子失去一個價電子之后,也成了帶正電的磷離子。這種半導(dǎo)體主要靠電子導(dǎo)電,叫做電子型半導(dǎo)體,或簡稱為N型半導(dǎo)體。若在硅單晶中摻入少量的三價元素,例如硼(B),則硼原子也會與硅原子組成共價鍵結(jié)構(gòu),但是這種結(jié)構(gòu)有別于上述的那種結(jié)構(gòu)。因?yàn)榕鹪又挥腥齻價電子,當(dāng)它同相鄰的四個硅原子組成共價鍵時,還缺少一個價電子,因而在一個共價鍵上要出現(xiàn)一個空位置。為了滿足組成四對共價鍵的需要,這個空位置很容易接受一個外來電子的填補(bǔ),而附近硅原子的共有價電子在熱激發(fā)下,也很容易轉(zhuǎn)移到這個空位置上來于是就在那個硅原子的共價鍵上出現(xiàn)了一個空穴,而硼原子接受了一個價電子之后,也就成了帶負(fù)電的硼離子。這樣,每個硼原子都能接受一個價電子,同時附近產(chǎn)生一個空穴,從而使硅單晶中的空穴載流子數(shù)目大大增加。這種半導(dǎo)體主要是靠空穴導(dǎo)電,叫做空穴型半導(dǎo)體,或簡稱為P型半導(dǎo)體。 
  如果設(shè)法把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制造在一起,由于P型與N型之間空穴和電子的濃度差別極大,故P型區(qū)中的空穴要從P型區(qū)擴(kuò)散到N型區(qū),N型區(qū)中的電子要從N型區(qū)擴(kuò)散到P型區(qū)。擴(kuò)散到的結(jié)果,就在交界面附近的P型區(qū)中形成很薄一層不能移動的負(fù)離子。同時在交界面附近的N型區(qū)域中,形成很薄一層不能移動的正離子,在PN交界面兩邊,就形成了一邊帶正荷,另一邊負(fù)電荷的層很薄的區(qū)域,稱為"空間電荷區(qū)"。這就是PN結(jié)。PN結(jié)內(nèi)由于空穴和電子所產(chǎn)生的電場稱為"內(nèi)電場"它的方向是由N型區(qū)指向P型區(qū)。由于這個內(nèi)電場力的作用,使得當(dāng)P型區(qū)中的空穴想越過空間電荷區(qū)而向N型區(qū)擴(kuò)散時,受到內(nèi)電場的阻力而被拉加P型區(qū)。因?yàn)檫@時候空穴的擴(kuò)散方向剛好與內(nèi)電場的方向相反。同理,當(dāng)N型區(qū)中的電子想越過空間電荷區(qū)而向P型區(qū)擴(kuò)散時,由于電子的擴(kuò)散方向剛好與內(nèi)電場的阻力而被拉回N型區(qū)。總之,內(nèi)電場總是要阻得多數(shù)載流子。且電能運(yùn)動的微小粒子的擴(kuò)散運(yùn)動,也就是要使空穴流向P型區(qū),電子流向N型區(qū)。我們把載流子在電場作用下的定向運(yùn)動中做漂移運(yùn)動。顯然,載流子的漂移運(yùn)動的方向是跟擴(kuò)散運(yùn)動的方向相反的。漂移作用同擴(kuò)散作用是互相對立的。由于空間電荷區(qū)的電場對電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動起阻礙作用,所以空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。隨著擴(kuò)散運(yùn)動與漂移運(yùn)動的繼續(xù)進(jìn)行,阻擋層的寬度逐漸趨向于一定。盡管這時擴(kuò)散運(yùn)動與漂移運(yùn)動仍在不斷地進(jìn)行,但是從P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散過去多少空穴,同時也有同樣多的空穴在電場力的作用下漂移加到P區(qū)來。對電子也是一樣。也即擴(kuò)散運(yùn)動與漂移運(yùn)動實(shí)現(xiàn)了動態(tài)平衡。此時,空間電荷區(qū)的寬度保持恒定,阻擋層的電場強(qiáng)度保持一定。 
  由于電場的方向是向電勢降落的方向,因此空間電荷區(qū)內(nèi)正離子一邊的電勢高,負(fù)離子一邊的電勢低,所以空間電荷區(qū)的兩邊存在著一個電勢差,也即PN結(jié)電勢差,稱為"內(nèi)建電勢差",或稱為"勢壘"。若用UD表示,則硅制成的PN結(jié)UD=0.6~0.8V左右;而用鍺制成的PN結(jié)UD=0.2~0.3V左右。 
  由于電場的方向是向電勢降落的方向,因此空間電荷區(qū)內(nèi)正離子一邊的電勢高,負(fù)離子一邊的電勢低,所以空間電荷區(qū)的兩邊存在著一個電勢差,也即PN結(jié)電勢差,稱為"內(nèi)建電勢差",或稱為"勢壘"。若用UD表示,則硅制成的PN結(jié)UD=0.6~0.8V左右;而用鍺制成的PN結(jié)UD=0.2~0.3V左右。
Tags:半導(dǎo)體,PN結(jié)  
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