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【小知識】二極管的PN結介紹
2018.09.29

二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結,在其界面處兩側形成空間電荷層,并建有自建電場。當不存在外加電壓時,由于p-n結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的 漂移電流相等而處于電 平衡狀態。 當外界有正向電壓偏置時,外界 電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時,外界電場和自建電場進一步加強,形成在一定反向電壓范圍內與 反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。

純凈半導體中摻入微量的雜質元素,形成的半導體稱為雜質半導體。半導體根據摻入的雜質元素的不同,可以分為P型半導體和N型半導體。二極管有PN結,采用不同的摻雜工藝,通過擴散作用,將P型半導體和N型半導體制作在同一塊半導體基片上,在它們的交界處形成空間電荷區稱之為PN結,PN結具有單向導電性。

PN結形成,當把P型半導體和N型半導體制作在一起時,在它們的交界面處,由于兩種半導體多數載流子的濃度差很大,因此P區的空穴會向N區擴散,同時,N區的自由電子也會向P區擴散,如圖1所示。圖中 虛線箭頭表示P區中空穴的移動方向,實線箭頭表示N區中自由電子的移動方向。

擴散到P區的自由電子遇到空穴會復合,擴散到N區的空穴與自由電子也會復合,所以在交界面處多子的濃度會下降,P區出現負離子區,N區出現正離子區,稱為空間電荷區。出現空間電荷區以后, 由于正負電荷之間的相互作用,在空間電荷區會形成一個電場,電場方向由帶正電的N區指向帶負電的P區。由于這個電場是由載流子擴散運動(即內部運動)形成的,而不是外加電壓形成的,故稱為內電場。隨著擴散運動的進行,空間電荷區會加寬,內電場增強,其方向正好阻止了P區中的多子空穴和N區中的多子自由電子的擴散。

在內電場電場力的作用下,P區的少子自由電子會向N區漂移,N區的少子空穴也會向P區漂移。漂移運動的方向正好與擴散運動的方向相反。從N區漂移到P區的空穴補充了原來交界面上P區失去的空穴, 而從P區漂移到N區的自由電子補充了原來交界面上N區所失去的自由電子,這就使得空間電荷變少。由此可見,漂移運動的作用是使空間 電荷區變窄,與擴散運動的作用正好相反。在無外加電場和其他激發作用下,參與擴散運動的多子數目與參與漂移運動的少子數目相等時,達到動態平衡,這是交界面兩側形成的一定厚度的空間電荷區,稱為PN結。這個空間電荷區阻礙多子的擴散,因此也稱阻擋層;又由于其中幾乎沒有載流子,因此又稱耗盡層。PN結如圖2所示。

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