二极管PN结及其单向导电工作原理图文详解

半导体的导电特性

半导体以其导电性能介乎于导体和绝缘体之间而得名。如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物都是半导体。

硅单晶体中的共价键结构金属导体依靠自由电子导电。绝缘体原子最外层的电子被原子核束缚得很紧,所以绝缘体中自由电子极少,不易导电。而半导体原子最外层的电子处于半自由状态。以常用的半导体材料硅原子结构为例,它有四个价电子,完全纯净的硅晶体结构中,每一个原子与相邻的四个原子结合,每一个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对,构成共价键结构,如右图所示。半导体一般都具有晶体结构,故半导体又称为单晶体。

共价键中的价电子不像绝缘体原子外层的电子被束缚得那么紧,在受到热的作用或受到光照射时,热能和光能转化为电子的动能,原子最外层的价电子便很容易挣脱原子核的束缚,形成自由电子,此时在原子共价键结构中,相应出现了一个电子空位,称为空穴,由于电子带负电荷而原子又是中性的,因此空穴可认为是带正电荷。具有空穴的原子又可吸引邻近原子中的价电子来填补其空穴,从而形成电子运动。这时空穴也从某一个原子内移动到了另一个原子内,形成空穴运动。这样在一定条件下,半导体中出现了两种带电运动,一种是带负电荷的自由电子运动;另一种便是带正电荷的空穴运动。在外电场的作用下,电子向电源正极定向运动,空穴向电源负极定向运动,于是电路中便形成电流。

半导体导电的特点,就是同时存在电子导电和空穴导电,所以自由电子和空穴都称为载流子。纯净半导体中载流子总是成对出现,并不断复合,在一定条件下达到动态平衡,使半导体中载流子的数量维持恒定。当条件改变后,如温度升高或光照加强,载流子数量又会增多,使半导体的导电性能增强,故温度对半导体导电性能影响很大。

纯净半导体一般导电能力是较差的,而在其中加入某种杂质后,导电能力即可大大增强,其原因同样与其共价键结构有关。

N型和P型半导体

在纯净的半导体中,掺入极微量有用的杂质,杂质不同,其增加的导电载流子的类型也不同,可分为两大类,如在硅单晶体中掺入五价元素磷,磷原子外层有五个价电子,其中四个价电子与硅原子中的四个价电子形成共价键后,多出的一个电子便很容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子,这样掺磷后的半导体中自由电子的数量大大增加,因而加强了原纯净半导体的导电能力。掺入五价元素的半导体,自由电子是导电的主要载流子,称多数载流子,而原半导体中的空穴则称少数载流子,这种半导体由于电子带负电,故称电子型半导体或N型半导体,如下图a所示。

掺入杂质后的半导体(N型半导体和P型半导体)

若在硅单晶体中掺入三价元素硼,硼原子外层只有三个价电子,与硅原子中的价电子形成共价键时,将出现一个空穴,与N型半导体相比,这类半导体主要是空穴导电,即空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子,由于空穴被认为带正电,故称空穴型半导体或P型半导体,如上图b所示。

在N型半导体中,摻入五价元素越多,自由电子数量越多,导电性能越好。同理在P型半导体中,掺入三价元素越多,空穴数量越多,导电性能也越好。在制造时,可用掺杂的多少来控制多数载流子的浓度。而在使用中因出现温度的升高或光照的增多,P型或N型半导体中少数载流子的浓度也会出现急剧增加的现象。

N型半导体和P型半导体,虽然都有一种多数载流子,但整个半导体仍是电中性的。

PN结的形成

将下图a的P型半导体和N型半导体采用一定的工艺措施紧密地结合在一起,由于N区电子浓度远大于P区,P区的空穴浓度远大于N区,因此N区的电子要穿过交界面向P区扩散,P区的空穴也要穿过交界面向N区扩散。扩散的结果,在交界面形成一个薄层区,在这薄层区内,N区的电子已跑到P区,N区留下了带正电的原子,形成N区带正电;P区的空穴已被电子填充,P区留下了带负电的原子,形成P区带负电。这薄层称为空间电荷区,如下图b所示。

PN结的形成

这薄层的两边类似已充电的电容器,形成由N→P的内电场。空间电荷区内基本上已没有载流子,故又称为耗尽层,或称PN结,它具有很高的电阻率。显然这个内电场形成后将阻碍多数载流子的扩散运动;同时,内电场又使P区少数载流子——电子向N运动;使N区少数载流子—— 空穴向P区运动。这种少数载流子在内电场作用下的运动称为漂移运动。

扩散运动和漂移运动是同时存在的一对矛盾,开始形成空间电荷区时,多数载流子的扩散是矛盾的主导,随着扩散运动的进行,空间电荷区即PN结不断增宽,内电场增强,此时扩散运动减弱,而漂移运动越来越强,在一定温度时,最终扩散、漂移运动达到动平衡,PN结处于相对稳定状态,PN结之间再没有定向电流。

PN结的单向导电原理

外加正向电压:PN结导通(导电):如下图a所示,将电源E串联电阻R后正极接于P区,负极接于N区,这时称PN结外加正向电压。在正向电压作用下,PN结中的外电场和内电场方向相反,扩散运动和漂移运动的平衡被破坏,内电场被削弱,使空间电荷区变窄,多数载流子的扩散运动大大地超过了少数载流子的漂移运动,多数载流子很容易越过PN结,形成较大的正向电流,PN结呈现的电阻很小,因而处于导通状态。串联电阻是为了防止电流过大而可能烧毁PN结。

PN结正向接法和反向接法的导电特性

外加反向电压,PN结截止(不导电):上图b中,将电源E的正极接于N区,负极接于P区,PN结外加反向电压,或称PN结反向接法。此时外电场和内电场方向一致,内电场增强,使空间电荷区加宽,对多数载流子扩散运动的阻碍作用加强,多数载流子几乎不运动,但是,增强了的内电场有利于少数载流子的漂移运动,由于少数载流子的数量很少,只形成微小的反向电流,PN结呈现的反向电阻很大,因此处于截止状态。反向电流对温度非常敏感,温度每升高8~10℃,少数载流子形成的反向电流将增大1倍。

PN结正向连接时,PN结导通,正向电阻很小。PN结反向连接时,PN结截止,反向电阻极大。PN结特有的这种单向导电特性,正是各种半导体器件的基本工作原理。

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