PN结是怎么形成的.doc

.pn结的形成/多晶硅中PN结是怎样形成的？PN结及其形成过程在杂质半导体中， 正负电荷数是相等的，它们的作用相互抵消，因此保持电中性。1、载流子的浓度差产生的多子的扩散运动在P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差，N型区内的电子很多而空穴很少，P型区内的空穴而电子很少，这样电子和空穴很多都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，因此，有些电子要从N型区向P型区扩散， 也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。2、电子和空穴的复合形成了空间电荷区电子和空穴带有相反的电荷，它们在扩散过程中要产生复合（中和），结果使P区和N区中原来的电中性被破坏。 P区失去空穴留下带负电的离子，N区失去电子留下带正电的离子， 这些离子因物质结构的关系，它们不能移动，因此称为空间电荷，它们集中在P区和N区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的PN结。(自：本身都呈电中性！)3、空间电荷区产生的内电场E又阻止多子的扩散运动在空间电荷区后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区中形成一个电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，由于该电场是由载流子扩散后在半导体内部形成的，故称为内电场。因为内电场的方向与电子的扩散方向相同，与空穴的扩散方向相反，所以它是阻止载流子的扩散运动的。综上所述，PN结中存在着两种载流子的运动。一种是多子克服电场的阻力的扩散运动；另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动。因此，只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和内建电场才能相对稳定。由于两种运动产生的电流方向相反，因而在无外电场或其他因素激励时，PN结中无宏观电流。自：P型和N 型半导体中电子和空穴的总数目不相等，那是由于有固定的原子核等的存在， 所以对外显示电中性。而且对于p型和n型半导体掺杂的量越多，空穴或者自由电子的数目就越多，而其它非掺杂的电子和空穴始终是由于束缚而在一起的，所以p型半导体中空穴（只有分离才有空穴）的量只能说多于自由电子（热扰动产生），而其它束缚在一起的就是一个电子对应自己的空位。N型半导体中自由电子的量多于由于热扰动产生的空穴。（注意：两种半导体中两种载流子都有，只不过一个多一个少，因为热扰动会不断让其中的一个产生）本征导电在绝对零度温度下，半导体的价带（valence band）是满带（见能带理论），受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带（forbidden band/band gap）进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带（conduction band），价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴（hole），导带中的电子和价带中的空穴合称为电子空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子（free carrier），它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。在本征半导体中，这两种载流子的浓度是相等的。随着温度的升高，其浓度基本上是按指数规律增长的。光生伏特效应：如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.50.6V。通过光照在界面层产生的电子空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。本征半导体的材料 常用的半导体材料是单晶硅(Si)和单晶锗(Ge) .所谓单晶,是指整块晶体中的原子按一定规则整 齐地排列着的晶体.非常纯净的单晶半导体称为本征半导体. 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%,常称为九个 9.它在物理结构上呈 单晶体形态.本征半导体的导电特性 (1)本征半导体的共价键结构硅和锗是四价元素,在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子.它们分别与周围的四个原子的价 电子形成共价键.共价键中的价电子为这些原子所共有,并为它们所束缚,在空间形成排列有序的晶体. 通常把原子核和内层电子看作一个整体,称为惯性核.惯性核带有 4 个单位正电荷,最外层有 4 个价电 子带有 4 个单位负电荷,因此,整个原子为电中性.这种结构的立体和平面示意图见图 1.(2) 电子空穴对一般来说,共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强,如果能从外界获得一定的 能量(如光照,升温,电磁场激发等) ,一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子.这一现象 称为本征激发(也称热激发) .理论和实验表明:在常温(T=300K)下,硅共价键中的价电子只要获得大于电离能EG(=1.1eV) 的能量便可激发成为自由电子.本征锗的电离能更小,只有 0.72eV.当共价键中的一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时,在共价键中便留下了一个 空位子,称为空穴.当空穴出现时,相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴 中来使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴,这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补,再出 现新的空穴.价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动,且 运动方向与价电子运动方向相反.为了区别于自由电子的运动,把这种运动称为空穴运动,并把空穴看 成是一种带正点荷的载流子.当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键,与此同时消失一个电子 一空穴对,这一相反过程称为复合,如图 2 所示.在一定温度条件下,产生的电子一空穴对和复合 的电子一空穴对数量相等时,形成相对平衡,这种相对平衡属于动态平衡,达到动态平衡时电子一空 穴对维持一定的数目.可见,在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子,而金属导体中只有自由电子一种载流子,这 也是半导体与导体导电方式的不同之处.(3) 空穴的移动自由电子的定向运动形成了电子电流,空穴的定向运动也可形成空穴电流,它们的方向相反.只不 过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的.本征半导体的特点 在绝对零度温度下，半导体的价带是满带（见能带理论），受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴，导带中的电子和价带中的空穴合称为电子空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，使电子空穴对消失，称为复合。复合时产生的能量以电磁辐射或晶格热振动的形式释放。在一定温度下，电子空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时本征半导体