pn结的工作原理
pn结工作原理
1.2.1 PN结的形成
在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:
因浓度差
?
多子的扩散运动?由杂质离子形成空间电荷区
?
空间电荷区形成形成内电场
? ?
内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧,留下离子薄层,这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。PN结形成的过程可参阅图01.06。
图01.06 PN结的形成过程
1.2.2 PN结的单向导电性
PN结具有单向导电性,若外加电压使电流从P区流到N区,PN结呈低阻性,所以电流大,反之是高阻性,电流小。
如果外加电压使,
PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压,简称正偏,
PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压,简称反偏。 (1) PN结加正向电压时的导电情况
PN结加正向电压时的导电情况如图01.07所示。
外加的正向电压有一部分降落在PN结区,方向与PN结内电场方向相反,削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱,扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流,可忽略漂移电流的影响,PN结呈现低阻性。
图01.07 PN结加正向电压时的导电情况
(2) PN结加反向电压时的导电情况
PN结加反向电压时的导电情况如图01.08所示。
外加的反向电压有一部分降落在PN结区,方向与PN结内电场方向相同,加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强,扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流,可忽略扩散电流,PN结呈现高阻性。
在一定的温度条件下,由本征激发决定的少子浓度是一定的,故少子形成的漂移电流是恒定的,基本上与所加反向电压的大小无关,这个电流也称为反向饱和电流。
PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流,PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论,PN结具有单向导电性。
图01.08 PN结加反向电压时的导电情况
1.2.3 PN结的电容效应
PN结具有一定的电容效应,它由两方面的因素决定。一是势垒电容C ,二是扩散B电容C 。 D
(1) 势垒电容C B
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时,离子薄层的厚度也相应地随之改变,这相当PN结中存储的电荷量也随之变化,犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图01.09。
图01.09 势垒电容示意图
(2) 扩散电容C D
扩散电容是由多子扩散后,在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时,由N区扩散到P区的电子,与外电源提供的空穴相复合,形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近,形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之,由P区扩散到N区的空穴,在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图01.10所示。
当外加正向电压不同时,扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同,这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。
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