半导体二极管中的PN结理论

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       当N型材料与P型材料融合在一起时,会形成PN结,从而形成半导体二极管。之前我们了解了如何通过向硅原子中掺入少量锑来制造N型半导体材料,以及如何通过向另一硅原子中掺入硼来制造P型半导体材料。

 

       这一切都很好,但是由于这些新掺杂的N型和P型半导体材料是电中性的,因此它们自己的作用很小。但是,如果我们将这两种半导体材料连接(或融合)在一起,它们的行为将以非常不同的方式融合在一起,并产生通常称为“ PN结 ”的东西。

 

       当首先将N型半导体和P型半导体材料结合在一起时,PN结的两侧之间会存在非常大的密度梯度。结果是来自施主杂质原子的一些自由电子开始迁移穿过这个新形成的结,从而填满了产生负离子的P型材料中的空穴。

 

       但是,由于电子已经从N型硅转移到P型硅,穿过PN结,因此它们 在负侧留下了带正电的施主离子(N D),现在,受主杂质中的空穴迁移穿过了P型硅。  在相反的方向上结到大量自由电子的区域。

 

       其结果是,沿着接合部P型的电荷密度填充有带负电荷的受体离子(  Ñ 甲  ),以及沿着接合部的N型的电荷密度变为正。电子和空穴跨PN结的这种电荷转移称为扩散。这些P和N层的宽度取决于在每一侧上是如何重掺杂有受主密度Ñ 甲,和施主密度Ñ d,分别。

 

       这个过程来回继续,直到穿过结的电子数量足够大,以排斥或阻止更多的载流子穿过结。最终,当施主原子排斥空穴而受主原子排斥电子时,将出现平衡状态(电中性状态),在结区域周围产生“势垒”区。

 

       由于没有免费的载流子可以停在有势垒的位置,因此与远离结的N和P型材料相比,结两侧的区域现在完全耗尽了更多的自由载流子。PN结周围的区域现在称为耗尽层。

 

       PN结

 

1

 

       PN结两侧的总电荷必须相等且相反,以在结周围保持中性电荷状态。如果耗尽层区域具有距离D,那么它因此必须以正数侧Dp的距离渗透到硅中,而负数侧Dn的距离则渗透到硅中,从而给出以下两者之间的关系:   Dp * N A  =   为了保持电荷中性,Dn * N D也称为平衡。

 

       PN结距离

 

2

 

       由于N型材料失去了电子,而P型材料失去了空穴,因此N型材料相对于P型变为正电。然后,在结的两侧上存在杂质离子会导致在该区域上建立电场,其中N侧相对于P侧为正电压。现在的问题是,自由电荷需要一些额外的能量来克服现有的障碍,以便它能够越过耗尽区结。

 

       扩散过程产生的电场在结点处产生了“内置电位差”,其开路(零偏压)电位为:

 

3

 

       其中:E o是零偏置结电压,V T是室温下26mV的热电压,N D和N A是杂质浓度,n i是本征浓度。

 

       在PN结的两端之间施加适当的正电压(正向偏置)可以为自由电子和空穴提供额外的能量。克服目前存在的这种势垒所需的外部电压在很大程度上取决于所用半导体材料的类型及其实际温度。

 

       通常在室温下,耗尽层两端的硅电压约为0.6-0.7伏,锗约为0.3-0.35伏。即使器件未连接到任何外部电源,该势垒也将始终存在,如二极管所示。

 

       跨越结的这种内置电势的意义在于,它既阻止空穴流过电子又阻止电子流过结,这就是为什么将其称为势垒的原因。实际上,PN结是在单晶材料中形成的,而不是简单地将两个独立的零件连接或融合在一起。

 

       此过程的结果是PN结具有整流电流-电压(IV或I-V)特性。电触点被熔合到半导体的任一侧上,以使得能够与外部电路进行电连接。制成的最终电子设备通常称为PN结二极管或简称为信号二极管。

 

       然后我们在这里看到可以通过将不同掺杂的半导体材料连接或扩散在一起以制造称为二极管的电子器件来制造PN结,该电子器件可以用作整流器,所有类型的晶体管,LED,太阳能电池的基本半导体结构,以及更多此类固态设备。

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