PN结形成原理

第1章半导体元件,1.1半导体基础知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管,1.1半导体基础知识,自然界中的物质，按其导电能力可分为三大类：导体、半导体和绝缘体。半导体的特点：热敏性光敏性掺杂性,1.1.1本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。1.本征半导体的原子结构及共价键共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。图1.1所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。,图1.1硅和锗的原子结构和共价键结构,2.本征激发和两种载流子自由电子和空穴温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。图1.2所示为本征激发所产生的电子空穴对。,图1.2本征激发产生电子空穴对,如图1.3所示，空穴（如图中位置1）出现以后，邻近的束缚电子（如图中位置2）可能获取足够的能量来填补这个空穴，而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空位，另一个束缚电子（如图中位置3）又会填补这个新的空位，这样就形成束缚电子填补空穴的运动。为了区别自由电子的运动，称此束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。,图1.3束缚电子填补空穴的运动,3.结论（1）半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。（2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。,（3）一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。（4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。,1.1.2杂质半导体在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能显著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。,1.N型半导体在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）、砷（As）等，则构成N型半导体。,五价的元素具有五个价电子，它们进入由硅（或锗）组成的半导体晶体中，五价的原子取代四价的硅（或锗）原子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，因为多一个价电子不受共价键的束缚，很容易成为自由电子，于是半导体中自由电子的数目大量增加。自由电子参与导电移动后，在原来的位置留下一个不能移动的正离子，半导体仍然呈现电中性，但与此同时没有相应的空穴产生，如图1.4所示。,图1.4N型半导体的共价键结构,N型半导体中，自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子）。N型半导体主要靠自由电子导电。,2.P型半导体在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼（B）、铟（In）等，则构成P型半导体。,三价的元素只有三个价电子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，由于缺少一个价电子，在晶体中便产生一个空位，邻近的束缚电子如果获取足够的能量，有可能填补这个空位，使原子成为一个不能移动的负离子，半导体仍然呈现电中性，但与此同时没有相应的自由电子产生，如图1.5所示。,图1.5P型半导体共价键结构,P型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）。P型半导体主要靠空穴导电。,1.1.3PN结及其单向导电性1.PN结的形成多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图1.6所示。,图1.6P型和N型半导体交界处载流子的扩散,由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.7所示。在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此又称空间电荷区为耗尽层。,图1.7PN结的形成,空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内电场则可推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。,空间电荷区,PN结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的。在一定条件（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。,PN结的形成演示,根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向N区扩散，自由电子要从浓度高的N区向P区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区（如上图所示），也就是PN结，又叫耗尽层。,P区,N区,空间电荷区,少子漂移,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结,多子扩散,形成空间电荷区产生内电场,促使,阻止,扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾，扩散使空间电荷区加宽，促使内电场增强，同时对多数载流子的继续扩散阻力增大，但使少数载流子漂移增强；漂移使空间电荷区变窄，电场减弱，又促使多子的扩散容易进行。,当漂移运动达到和扩散运动相等时，PN结便处于动态平衡状态。可以想象，在平衡状态下，电子从N区到P区扩散电流必然等于从P区到N区的漂移电流，同样，空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等。即总的多子扩散电流等于总的少子漂移电流，且二者方向相反。,在无外电场或其他因素激发时，PN结处于平衡状态，没有电流通过，空间电荷区的宽度一定。由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子复合掉了，即多数载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称为耗尽层，其电阻率很高，为高阻区。扩散作用越强，耗尽层越宽。,2.PN结的单向导电性如果在PN结两端加上不同极性的电压，PN结会呈现出不同的导电性能。（1）PN结外加正向电压PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏，如图1.8所示。,图1.8PN结外加正向电压,PN结外加正向电压（也叫正向偏置）时，如左下图所示：正向偏置时外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，多子的扩散运动大大超过少子的漂移运动，N区的电子不断扩散到P区，P区的空穴也不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。,（2）PN结外加反向电压PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏，如图1.9所示。,图1.9PN结外加反向电压,P端引出极接电源负极，N端引出极电源正极的接法称为反向偏置；反向偏置时内、外电场方向相同，因此内电场增强，致使多子的扩散难以进行，即PN结对反向电压呈高阻特性；反偏时少子的漂移运动虽然被加强，但由于数量极小，反向电流IR一般情况下可忽略不计，此时称PN结处于截止状态。,PN结的“正偏导通，反偏阻断”称为其单向导电性质，这正是PN结构成半导体器件的基础。,1.2半导体二极管,1.2.1二极管的结构及符号半导体二极管同PN结一样具有单向导电性。二极管按半导体材料的不同可以分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。按结构的不同可分为点接触型、面接触型和平面型二极管三类，如图1.10所示。,图1.10不同结构的各类二极管,图1.11所示为二极管的符号。由P端引出的电极是正极，由N端引出的电极是负极，箭头的方向表示正向电流的方向，VD是二极管的文字符号。,图1.11二极管的符号,常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同，二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。根据使用的不同，二极管的外形各异，图1.12所示为几种常见的二极管外形。,图1.12常见的二极管外形,1.2.2二极管的伏安特性及主要参数1.二极管的伏安特性二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。,（1）正向特性二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。如图1.13所示，当二极管所加正向电压比较小时（0IB，而且有IC与IB的比值近似相等，大约等于50。,（3）对表1.4中任两列数据求IC和IB变化量的比值，结果仍然近似相等，约等于50。（4）从表1.4中可知，当IB=0（基极开路）时，集电极电流的值很小，称此电流为三极管的穿透电流ICEO。穿透电流ICEO越小越好。,2.三极管实现电流分配的原理上述实验结论可以用载流子在三极管内部的运动规律来解释。图1.29为三极管内部载流子的传输与电流分配示意图。,图1.29三极管内部载流子的传输与电流分配示意图,（1）发射区向基区发射自由电子，形成发射极电流IE。（2）自由电子在基区与空穴复合，形成基极电流IB。（3）集电区收集从发射区扩散过来的自由电子，形成集电极电流IC。,3.结论IC比IB大数十至数百倍，因而IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。（1）要使三极管具有放大作用，发射结必须正向偏置，而集电结必须反向偏置。（2）一般有1；通常认为。（3）三极管的电流分配及放大关系式为：IE=IC+IBIC=IB,1.3.3三极管的特性曲线及主要参数1.三极管的特性曲线三极管的特性曲线是指三极管的各电极电压与电流之间的关系曲线，它反映出三极管的特性。它可以用专用的图示仪进行显示，也可通过实验测量得到。以NPN型硅三极管为例，其常用的特性曲线有以下两种。,（1）输入特性曲线它是指一定集电极和发射极电压UCE下，三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。实验测得三极管的输入特性曲线如图1.30所示。,图1.30三极管的输入特性曲线,死区电压,UCE1V，原因是b、e间加正向电压。这时集电极的电位比基极高，集电结为反向偏置，发射区注入基区的电子绝大部分扩散到集电结，只有一小部分与基区中的空穴复合，形成IB。与UCE=0V时相比，在UBE相同的条件下，IB要小的多。从图中可以看出，导通电压约为0.5V。严格地说，当UCE逐渐增加时，IB逐渐减小，曲线逐渐向右移。这是因为UCE增加时，集电结的耗尽层变宽，减小了基区的有效宽度，不利于空穴的复合，所以IB减小。不过UCE超过1V以后再增加，IC增加很少，因为IB的变化量也很小，通常可以忽略UCE变化对IB的影响，认为UCE=1V时的曲线都重合在一起。,（2）输出特性曲线它是指一定基极电流IB下，三极管的集电极电流IC与集电结电压UCE之间的关系曲线。实验测得三极管的输出特性曲线如图1.31所示。,图1.31三极管的输出特性曲线,一般把三极管的输出特性分为3个工作区域，下面分别介绍。截止区(发射结反向偏置，集电结反向偏置)三极管工作在截止状态时，具有以下几个特点：（a）发射结和集电结均反向偏置；（b）若不计穿透电流ICEO，有IB、IC近似为0；（c）三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于一个开关断开。,放大区(发射极正向偏置，集电结反向偏置)图1.31中，输出特性曲线近似平坦的区域称为放大区。三极管工作在放大状态时，具有以下特点：（a）三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置；（b）基极电流IB微小的变化会引起集电极电流IC较大的变化，有电流关系式：IC=IB；,（c）对NPN型的三极管，有电位关系：UCUBUE；（d）对NPN型硅三极管，有发射结电压UBE0.7V；对NPN型锗三极管，有UBE0.2V。,饱和区(发射结正向偏置，集电结正向偏置)三极管工作在饱和状态时具有如下特点：(a)三极管的电流放大能力下降，通常有ICIB；,（b）UCE的值很小，称此时的电压UCE为三极管的饱和压降，用UCES表示。一般硅三极管的UCES约为0.3V，锗三极管的UCES约为0.1V；,（c）三极管的集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个开关导通。三极管作为开关使用时，通常工作在截止和饱和导通状态；作为放大元件使用时，一般要工作在放大状态。,2.三极管的主要参数三极管的参数有很多，如电流放大系数、反向电流、耗散功率、集电极最大电流、最大反向电压等，这些参数可以通过查半导体手册来得到。三极管的参数是正确选定三极管的重要依据，下面介绍三极管的几个主要参数。,（1）共发射极电流放大系数和它是指从基极输入信号，从集电极输出信号，此种接法（共发射极）下的电流放大系数。,（2）极间反向电流集电极基极间的反向饱和电流ICBO集电极发射极间的穿透电流ICEO,（3）极限参数集电极最大允许电流ICM集电极最大允许功率损耗PCM反向击穿电压,1.3.4三极管的检测1.已知型号和管脚排列的三极管，判断其性能的好坏（1）测量极间电阻（2）三极管穿透电流ICEO大小的判断（3）电流放大系数的估计,2.判别三极管的管脚（1）判定基极和管型（2）判定集电极c和发射极e,图1.35判别三极管c、e电极的原