半導體器件有四種基本結構,而PN結無疑是最常見,也是最重要的結構。
PN結的基本結構
PN結由P型半導體和N型半導體組成,為方便起見,考慮理想的均勻摻雜,并且P區和N區的交界處雜質濃度突變??紤]完全電離的情況,P區多子為空穴,N區多子為電子,空穴和電子濃度就等于摻雜濃度,這時候對于P區和N區都是電中性的。
在交界面處,電子和空穴就有一個很大的濃度梯度,由于兩邊載流子濃度不同,N區電子會向P區擴散,P區空穴會向N區擴散,電子和空穴的擴散破壞了N區和P區的電中性,N區失去了電子,施主離子帶正電;P區失去空穴,受主離子帶負電。正負電荷之間會產生電場,由N區指向P區,稱為內建電場,電子受這個電場力的影響會向N區移動。
由于濃度梯度的存在,多數載流子受到了一個”擴散力“,產生擴散電流,隨著載流子的擴散,濃度梯度逐漸變小,擴散力降低,同時內建電場的建立,電場力逐漸增加,產生漂移電流,由于兩個力方向相反,最終會達到一個穩定的動態平衡狀態,擴散電流和漂移電流相互抵消,此時流過PN結的凈電流為零。
在PN結交界處的凈正電荷和凈負電荷區域,這兩個區域稱為空間電荷區,由于內建電場的作用,電子和空穴會被掃出空間電荷區,里面沒有可移動的電荷,所以也被稱為耗盡區。后面研究能帶圖時,還會看到載流子在通過耗盡區時相當于越過一個勢壘,所以耗盡區也可以稱為勢壘區。
在平衡態的PN結兩端外加電壓,就會破壞擴散力和電場力的平衡。正偏時,外加電場會抵消內建電場,此時擴散作用占優,P區的空穴和N區的電子就容易擴散至另一邊,形成源源不斷的擴散電流,由于兩邊的濃度梯度很大,所以PN結正偏電流很大。反偏時,外加電場和內建電場疊加,會進一步減小擴散作用,由于耗盡區載流子濃度很低,漂移電流很小,所以PN結反偏電流很小。
思考
在PN結從初始狀態到建立動態平衡的這個階段,有凈電流產生嗎?
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