PN结的形成及特性-课件

PN结的形成及特性3.2.1载流子的漂移与扩散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++N++++++++++++++++++++++++++++++++++++以N型半导体为基片通过半导体扩散工艺2使半导体的一边形成N型区，另一边形成P型区。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------3

左边是P型半导体，右边是N型半导体。P型半导体里面还画出了它的少子（自由电子）（一个小点），N型半导体里面也画出了它的少子（空穴）（一个小圆圈）.P型半导体N型半导体少子(自由电子)少子(空穴)N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------4N区有许多自由电子（多数载流子）和几个由于热产生的空穴（少数载流子），而P区有许多空穴（多数载流子）和几个由于热产生的自由电子（少数电子）。PN结构成了基本的二极管。二极管是只允许电流往一个方向流动的元件。P型半导体N型半导体少子(自由电子)少子(空穴)N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------5(1)在浓度差的作用下，电子从N区向P区扩散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------6(2)在浓度差的作用下，空穴从P区向N区扩散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------7大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流8

在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。由于他们的量比较大，我们称作多子在进行扩散运动.扩散运动N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------9扩散运动空间电荷层扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------10形成内电场内电场(E)方向

一旦扩散以后，在它的介面上，就剩下了正离子和负离子，这时候就存形成一个电场.方向是从带正电的N区指向带负电的P区。这个电场是在内部形成的，称为内电场E.N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------11

漂移运动

电场的的方向是从正离子往负离子走。电场的作用就会促进少数载流子的运动，自由电子从低电位往髙电位走，空穴是从髙电位往底电位走，由于少子的运动很弱(数量很少)，少子的运动叫做漂移运动。内电场EN++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------12

内电场会促进少子的漂移运动，也抑制了多子的扩散运动，虽然少子的量很少，随着漂移的增强，而扩散是越来越弱，最终会达到一种平衡。此时我们在这个空间就相当于有这么一个结，这个结不是面，是一段宽度，这段宽度就叫做PN结。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------内电场(E)方向3.2.2PN结的形成13PN结一方面阻碍多子的扩散，另一方面加速少子的漂移

漂移运动扩散运动N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------14P型半导体N型半导体扩散运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。

漂移运动内电场E

因为在PN结上只剩下了正负离子(正负电荷)，也可以称作空间电荷区.N区中的导电电子为了进入P区，必须克服正离子的吸引和负离子的排斥力。在粒子层建立后，PN结内的区域实际上已经耗尽了导电电子和空穴，所以PN结也称作是耗尽层。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------15空间电荷层

在P区和N区交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子。在介面上自由电子和空穴就结合了。

漂移运动内电场E扩散运动N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------16形成电位势垒势垒V0电位V

电场的的方向是从髙电位往底电位走，就是从正离子往负离子走，于是N区一边的电位高于P区一边，如图所示。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------17当扩散与漂移作用平衡时a.流过PN结的净电流为零b.PN结的厚度一定（约几个微米）c.接触电位一定（约零点几伏）N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------18PN结形成过程动画演示19

扩散使PN结变宽，使它的内电场变强，而漂移的作用又使空间电荷区变薄，最终PN结稳定在一定的宽度.P型半导体和N型半导体一结合，在交界面上形成了稳定的电层，我们利用PN结的这个特性了解它是如何具备单向导电性.

还要利用这个特性设计制造二极管和三极管。

201.空间电荷区中没有载流子。只剩下正负离子.2.空间电荷区由于存在内电场，内电场阻碍P区中的空穴(多子)运动.由于多子很多我们称作扩散运动。促进了少子的漂移运动.，3.P区中的电子和N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。小结4.随着内电场的增强，扩散运动越来越缓慢，此时它就达到了动态平衡.21

一个PN结就是一个二极管，在平衡状态下，PN结中没有电流。PN结最重要的特性是单向导电特性。实验：PN结的导电性。按如下方式进行PN结导电性的实验，因为PN结加上封装外壳和电极引线就是二极管，所以拿一个二极管来当成PN结。P区为正极；N区为负极。对于图示的实验电路。二极管正向连接二极管反向连接3.2.3PN结的单向导电性22仿真P

此时发光二极管发光，说明PN结导电。

若P区的电位高于N区，电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；PN结正向偏置——当外加直流电压使PN结P型半导体的一端的电位高于N型半导体一端的电位时（也就是允许电流流过PN结的条件），称PN结正向偏置，简称正偏。注：偏置就是指加在半导体元件上设置其工作条件的固定直流电压。23PN结正向偏置------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E24------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E＋－

当直流电源将二极管正向偏置后，由于静电场的作用，电源的负端将N区中的导电电子推向PN结，而电源的正端也将P区中的空穴推向PN结。正向电流25

当外加的偏置电压足以克服势垒电位时，电子就有足够的能量进入耗尽层并越过PN结。与P区中空穴复合。当这些电子离开N区后，会有更多的电子从电源的负端流出。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E26

因此，导电电子（多数载流子）朝着PN结方向的移动产生了N区的电流。这些导电电子进入P区后与空穴复合，变成价电子。然后，价电子会一个一个空穴地向阳极方向移动。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E27

价电子的移动实际上产生了空穴反方向的移动。所以P区中电流是由空穴（多数载流子）朝着PN结方向移动产生的。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E28PN结正偏动画演示外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IFPN结内的电流由起支配地位的扩散电流决定，称为正向电流。29

此时发光二极管不发光，说明PN结不导电。这个实验说明PN结（二极管）具有单向导电性。

若P区的电位低于N区，电流从N区流到P区，PN结呈高阻性，所以电流小。PN结反向偏置——当外加直流电压使PN结N型半导体的一端的电位高于P型半导体一端的电位时（阻止电流流过PN结的偏置条件），称PN结反向偏置，简称反偏。仿真P2．PN结反向偏置30PN结变宽2．PN结反向偏置反向偏置是阻止电流流过PN结的偏置条件。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E31

由于异性电荷相互吸引，电源的负端吸引P区中的空穴，而电源的正端吸引N区中的电子，使空穴和电子均远离PN结。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E32

因此，耗尽层变宽，N区中的正离子和P区中的负离子增加，直到两边的势垒差等于外加偏置电压。因此，当二极管反相偏置时，耗尽层相当于两个反相的带电离子层之间的绝缘体。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E33内电场增强PN结变宽PN结呈现高阻、截止状态不利多子扩散有利少子漂移2．PN结反向偏置外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E34

因少子浓度主要与温度有关，此电流称为反向饱和电流。有时候称作漏电流。这个漏电流的多少基本上是由本征激发所决定的.------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++E35PN结反偏动画演示由此可以得出结论：PN结具有单向导电性36

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。演示A02204

PN结加反向电压时的导电情况37按电容的定义

即电压变化将引起电荷变化,从而反映出电容效应。由于二极管的两个极靠的就是PN结，所以极间电容也称作结电容，而ＰＮ结两端加上电压,ＰＮ结内就有电荷的变化,说明ＰＮ结具有电容效应。ＰＮ结极间电容主要具有是两部分两种电容：一部分称作势垒电容，一个叫做扩散电容。3.2.5PN结的电容效应381.势垒电容CB

势垒电容：当外加电压发生改变了，PN结的宽度也要相应发生改变，PN结中里面的正负电荷数量要随之而改变，电荷的改变就好像是电容在充、放电。这显示出来就是一种电容效应，把这种电容效应就称作是势垒电容。

势垒区就是积累空间电荷的区域，也就是PN结，当外界电压发生变化时候，PN结中的电荷量发生变化，表现出来的电容就是势垒电容。用ＣB表示。理论推导39

阻挡层内电荷量随外加电压变化

势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。空间电荷区是由不