PN結(jié)相關(guān)知識(shí)解析

P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體：空穴多，容易吸收電子。原子核電荷偏少，會(huì)形成負(fù)電荷;

多子為空穴，少子為電子。

N型半導(dǎo)體：電子多，電子容易掙脫。原子核電荷過多，會(huì)形成正電荷。

多子為電子，少子為空穴。

PN結(jié)與空間電荷區(qū)

1、PN結(jié)的構(gòu)成

如圖2-1，將一塊P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體相結(jié)合后，構(gòu)成PN結(jié)。P區(qū)與N區(qū)兩塊半導(dǎo)體之間形成了空間電荷區(qū)。(空間電荷區(qū)又稱阻擋層、耗盡層、勢(shì)壘區(qū))

圖2-1

2、空間電荷區(qū)的形成

因?yàn)镻區(qū)與N區(qū)交界處電子和空穴的濃度不一，造成了各區(qū)的多子會(huì)向另外一區(qū)移動(dòng)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

首先，內(nèi)電場(chǎng)的方向是阻礙擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的。其次，又吸引另外一區(qū)的少子來本區(qū)。此現(xiàn)象成為漂移運(yùn)動(dòng)。

(簡(jiǎn)單整理為：①多子才會(huì)發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，電子從N區(qū)擴(kuò)散至P區(qū)，空穴從P區(qū)擴(kuò)散至N區(qū)。②少子才會(huì)發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)，空穴從N區(qū)漂移至P區(qū)，電子從P區(qū)漂移至N區(qū)。)

最終，漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相平衡。P區(qū)、N區(qū)交界處的正負(fù)電荷趨于穩(wěn)定，這塊范圍稱為空間電荷區(qū)。

由于空間電荷的分布，PN結(jié)內(nèi)部形成一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)，內(nèi)電場(chǎng)方向如圖2-2所示。(內(nèi)電場(chǎng)又稱自建電場(chǎng))

圖2-2

正向偏置與反向偏置

正向偏置

亦稱正向?qū)顟B(tài)。當(dāng)外界施加一個(gè)電場(chǎng)給PN結(jié)，外加電場(chǎng)方向如圖3-1所示。由于外加電場(chǎng)和內(nèi)電場(chǎng)的方向相反，在外電場(chǎng)的作用下，內(nèi)電場(chǎng)必定會(huì)被削弱，空間電荷區(qū)變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，PN結(jié)內(nèi)形成較大的擴(kuò)散電流，稱為正向電流IF。

圖3-1

2.反向偏置

亦稱反向截止?fàn)顟B(tài)。如圖3-2所示，當(dāng)外加電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向一致時(shí)，這無疑增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。使得空間電荷區(qū)變寬。減弱了多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，無法形成正向電流。但是，少子的漂移運(yùn)動(dòng)形成了反向電流，因?yàn)樯僮拥臄?shù)量很少，故反向電流IR非常小，通常是微安級(jí)別的。此時(shí)，PN結(jié)成高阻態(tài)。

圖3-2

電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)

由于個(gè)人工作原因，本人接觸的都是電力二極管。區(qū)別于信息電子二極管，首先，其采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。另外，在P區(qū)與N區(qū)之間，增加了一塊低摻雜N-區(qū)域。如圖4-1所示。

圖4-1

使用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)可以使硅片通過電流的面積變大，提高二極管的通流能力。加入的N-區(qū)，因?yàn)閾诫s濃度低，電阻率高，故可以承受很高的電壓(N-區(qū)的厚度，直接決定了二極管的擊穿電壓)。因此N-區(qū)越厚，二級(jí)管可以承受的反向電壓就越高。但是N-區(qū)的高電阻率，對(duì)于二極管的正向?qū)ㄊ遣焕摹?/p>

故利用電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)來解決之。電流反向如圖4-1所示。

當(dāng)i較小時(shí)，電阻為N-區(qū)的歐姆電阻，此值為常數(shù)且較高。故管壓降隨著正向電流的增大而增大。

當(dāng)i較大時(shí)，P區(qū)向N-區(qū)注入空穴。為了維持半導(dǎo)體的電中性，N-區(qū)的電子濃度也會(huì)上升。N-區(qū)的電子增多，其電阻率就會(huì)下降(電導(dǎo)率上升)。

這就是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。

結(jié)電容

PN結(jié)的電荷量，根據(jù)外加電場(chǎng)的變化而變化，這種現(xiàn)象呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ。結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，在高速開關(guān)狀態(tài)下，可能會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)的單向?qū)щ娦宰儾睢＝Y(jié)電容又可以分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。三者關(guān)系如式5.1。

CJ=CB+CD——式5.1

勢(shì)壘電容：此值大小與PN結(jié)的截面面積成正比，與空間電荷區(qū)厚度成反比。且此值只有在外加電路變化時(shí)，才起作用。外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。

擴(kuò)散電容：此值只在正向偏置時(shí)起作用。正向偏置電壓越高，非平衡少子越多。擴(kuò)散電容越明顯。

整理一下：

反偏時(shí)，勢(shì)壘電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擴(kuò)散電容。結(jié)電容約等于勢(shì)壘電容;

正偏時(shí)，擴(kuò)散電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于勢(shì)壘電容。結(jié)電容約等于擴(kuò)散電容。

反向擊穿

PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力。第四小節(jié)我們提到這個(gè)能力取決于N-區(qū)的厚度。但是當(dāng)反向電壓過大時(shí)，反向電流IR隨即變大，破壞了反向截止的工作狀態(tài)，這就是反向擊穿。

反向擊穿分為齊納擊穿和雪崩擊穿。這兩種擊穿是可逆的，通俗來講，就是可以靠外電路中的保護(hù)措施，將反向電流限制住，從而在反向電壓降低后，PN結(jié)恢復(fù)到原來的狀態(tài)。

還有一種擊穿，是反向電流限制不住，導(dǎo)致PN結(jié)過熱，直接燒毀，稱為熱擊穿，熱擊穿不可逆。

齊納擊穿：一般發(fā)生在摻雜濃度大的二極管上，其空間電荷區(qū)窄。根據(jù)公式6.1可知，當(dāng)空間電荷區(qū)很窄很窄(式6.1中的d)時(shí)，就算u不大，E也會(huì)很大，導(dǎo)致形成很大的電流，擊穿PN結(jié)。

E=u/d——式6.1

(E為電場(chǎng)強(qiáng)度、u為反向電壓、d為延場(chǎng)強(qiáng)E方向的距離)

雪崩擊穿：一般發(fā)生在摻雜濃度小的二極管上。根據(jù)式6.1，反向電壓u變大，電場(chǎng)強(qiáng)度變大，少子漂移的速度加快。撞壞共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生了空穴和自由電子對(duì)。反向電流將增大，PN結(jié)擊穿。

審核編輯：湯梓紅