模电:半导体和PN结
来源:互联网 发布:linux管道 编辑:程序博客网 时间:2024/04/27 21:16
模电:半导体和PN结
半导体(semi-conductor),是指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,而硅是在商业应用上最具有影响力的一种。
本征半导体
纯净不含杂质的半导体,称为本征半导体。
以硅晶体结构为例:
硅是+4价原子,外部有4个电子。硅晶体内部形成一个网状结构,每两个硅原子之间都有2个电子组成共价键。
我们知道,水流大小是由水分子的移动形成的,水是水流的载流子;同样,带电荷的可移动粒子是电流的载流子。由于受到共价键的束缚,原子核(带正电荷)和电子(带负电荷)都不可移动的,所以硅的导电性能比较差。
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硅晶体的共价键并不是非常坚固,由于受到温度、光、磁等能量的激发作用,极少的电子获得足够的能量,可以摆脱共价键的束缚,带负电荷的电子便可以移动了,支持了电流的形成。这个电子离开原子后,共价键就少了一个电子,留下一个空位置(我们称为空穴),该原子同时变成了带正电荷的离子。因为这种带正电荷的离子都有一个空穴,我们不如将空穴视为带正电荷的“粒子”(实际上空穴不是粒子,但是原子有空穴,就代表此处有正电荷)。
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这种由于热激发产生了一对“自由电子”和“空穴”的过程,称为本征激发。自由电子带负电荷,空穴带正电荷。自由电子和空穴都是半导体的载流子。
同理,自由电子和空穴也可以复合。杂质半导体
掺入杂质的半导体称为杂质半导体。
由于本征导电性能差,如果参入+5价或者+3价的原子,可以大大提高其导电性能。
比如,掺入+5价的磷原子后,磷的4个电子和周围4个硅原子形成共价键,还剩有1个电子,由于不受共价键束缚可以自由移动,这种杂质半导体称为N型半导体。N代表负极性Negetive,由于引入了1个自由电子,所以称为N型半导体。
同理,掺入+3价的硼原子后,硼的3个电子和周围4个硅原子形成共价键的话,会出现一个空穴,这种杂质半导体称为P型半导体。P代表正极性Positive。PN结
将P型半导体和N型半导体放在一起后,在它们的接触面会形成PN结。
PN结最显著的特点是:电流单向导通。
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我们都在初中物理中都学过扩散原理。由于浓度不均匀而产生的粒子定向运动,叫做扩散。
当把P型半导体和N型半导体结合在一起后,虽然原子受共价键作用不能移动,但是空穴和自由电子是可以移动的。于是,在接触面附近的电子和空穴会向对方区域移动而复合消失。
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在接触面附近失去电子和空穴的离子,由于不可移动,便形成了一个内部电场。
这个内电场形成后,反过来又阻止扩散运动。最后会达到一个动态的平衡。中间这个内电场区域,因为只有离子也叫空间电荷区。内电场形成的电势阻止了电子和空穴的扩散、复合,在PN之间形成了一道壁垒,所以又称为势垒区。这就是PN结的形成过程。PN结的特点
PN结最显著的特点是:电流正向导通,反向截止。
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给PN结外加正向电压时,我们称为正向偏置,简称正偏。
正偏状态下,外加的电场会削弱内电场的壁垒作用,空间电荷区变窄,电子和空穴穿越空间电荷区会容易些。在外电场的持续作用下,便可以形成持续的电流。外电场越大,电流越大。
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给PN结外加反向电压时,我们称为反向偏置,简称反偏。
反偏状态下,外加的电场会增强内电场的壁垒作用,空间电荷区变宽,电子和空穴更加难以进入空间电荷区,不能形成持续的电流。
PN结形成过程▼载流子浓度不均▼扩散运动▼电子空穴复合▼形成空间电荷区,内电场▼内电场阻止扩散运动▼动态平衡,形成PN结
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