PN結的單向?qū)щ娦约捌浞治?/h1>
2017-07-05 13:44:46高俊杰
電子技術與軟件工程 2017年12期
高俊杰
摘 要本文意在從本質(zhì)上揭示PN結的導電機理，換種思路理解PN結的單向?qū)щ娦浴Ｕ页鲆?guī)律在于化繁為簡，本文若被認可也許能夠建立起一種更為簡單的PN結模型。
【關鍵詞】微小的間隙 接觸電阻 接觸電動勢 單向?qū)щ?/p>
1 前言
提起PN結，大家都知道它具有正向?qū)ā⒎聪蚪刂沟奶匦裕玃N結為何具有單向?qū)щ娦阅兀窟@個問題就復雜了，現(xiàn)在比較流行的是引入一個“空間電荷區(qū)”的概念來解釋的，這就需要從PN結的構造說起。
2 PN結的單向?qū)щ娦?/p>
半導體具有摻雜性，P型和N型半導體就是利用在本征半導體也就是純凈的半導體中摻入不同價位的雜質(zhì)元素而形成的。P型也叫空穴型半導體，它是在硅、鍺等4價元素中摻入3價的硼、鋁等受主雜質(zhì)，在其共價鍵結構中缺少1個電子而形成空穴（見圖1）。N型半導體則在硅、鍺等4價元素中摻入5價的施主雜質(zhì)磷、銻等，這時就會在共價鍵中多出一個電子而形成自由電子（見圖2），因此半導體就具有了兩種載流子——電子和空穴對。在P型半導體中空穴是多子、電子是少子；N型半導體則相反，電子是多子、空穴是少子。
如果通過光刻和雜質(zhì)擴散等方法就能將一塊半導體分成P型半導體和N型半導體兩部分，它們之間就是一個PN結。它是構成半導體器件的基礎，其實一個二極管就是一個PN結。那么PN結是怎么具有單向?qū)щ娦缘哪兀?/p>
通常的說法是在不加外電壓時，這個PN結中P區(qū)的多子是空穴，N區(qū)的多子是電子（通常只考慮多子），因為濃度差，載流子必然向濃度低的方向擴散。在擴散前，P區(qū)與N區(qū)的正負電荷是相等的，呈電中性。當P區(qū)空穴向N區(qū)移動時，就在PN結邊界處留下了不能移動的負離子，用帶藍圈的負電荷表示； 當N區(qū)自由電子向P區(qū)移動時， 就在PN結邊界處留下了不能移動的正離子，用帶紅圈的正電荷表示，這樣就在空間電荷區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了一個內(nèi)建電場Upn，電場的方向是由N區(qū)指向P區(qū)的。在擴散作用下隨著Upn增大，載流子受到電場力Upn的作用而做漂移運動，它的方向與擴散運動相反，最終使載流子擴散與漂移達到動態(tài)平衡，形成了空間電荷區(qū)，如圖3所示。
當外加正向偏壓時，電源E提供大量的空穴和電子，E的電場方向與Upn的電場方向相反，空間電荷區(qū)被兩種載流子復合而消弱變窄，載流子容易通過擴散加強，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)。
當外加反向偏壓時，它的電場方向與Upn的電場方向一致，空間電荷區(qū)被增厚變寬，載流子不易通過擴散減弱，呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。此時僅有兩側的少子，也就是N區(qū)的空穴和P區(qū)的電子在Upn電場力作用下做漂移運動，形成較小的反向飽和電流IS，直至擊穿為止，其電流按二極管方程規(guī)律變化，這就是PN結的單向?qū)щ娦栽怼?/p>
在“空間電荷區(qū)”的概念里認為空穴和電子是可以自由移動的， PN結兩側的正負離子是不能移動的，“空間電荷區(qū)”的厚度決定了通過PN結電流的大小。但如果把“空間電荷區(qū)”看作是一個“微小的間隙”，即把它等效為一個接觸電阻，可能就更容易理解，更能反映PN結的單向?qū)щ娦詫嵸|(zhì)了。我們知道當電源E一定時，電流I的大小主要取決于導線電阻中能夠參與導電的載流子的多少，而在整個回路中PN結相對于其它導體原件能夠參與導電的載流子最少，也就像一道閘門，它的微小間距也就是它的接觸電阻決定了回路主要電流的大小。當PN結間隙小時接觸緊密，接觸電阻小；當PN結間隙大時接觸不緊密，接觸電阻大，因此PN結邊界處的接觸電阻是PN結導電的關鍵。
那么，PN結邊界處的接觸電阻又與誰有關呢？我們知道由于摻雜的原因，P區(qū)產(chǎn)生的空穴與N區(qū)產(chǎn)生的電子一定會相互吸引，它們必然向PN結邊界聚集，形成如圖4所示的接觸電動勢Epn。
當沒有外加電壓時，載流子要想通過PN結，就必須獲得足夠的能量，因此只有少部分高能的載流子才能夠穿過PN結與之復合，不能復合的空穴和電子就形成了一個由P區(qū)指向N區(qū)的接觸電動勢，其實質(zhì)就是一個具有電源性質(zhì)的接觸電動勢Epn，它與Upn方向相反。接觸電動勢Epn的存在是載流子擴散運動的結果。
當外加正向電壓時，電源E與接觸電動勢Epn方向相同，相互疊加。電源正極發(fā)出的正電荷與N區(qū)的自由電子相互吸引，電源負極發(fā)出的負電荷與P區(qū)的空穴相互吸引，PN結之間接觸更加緊密，它們之間的“微小的間隙”變窄，從而接觸電阻減小，PN結對外呈現(xiàn)低阻性。
當外加反向電壓時，電源E與接觸電動勢Epn方向相反，相互抵消。電源負極發(fā)出的負電荷與N區(qū)的電子相互排斥，電源正極發(fā)出的正電荷與P區(qū)的空穴相互排斥，PN結之間接觸不再緊密，它們之間的“微小的間隙”變寬了，從而接觸電阻增大，PN結對外呈現(xiàn)高阻性。
實際上，PN結由于各種材料的不同，它們的正反向電特性也即接觸電阻就會不完全對稱，這種材料的不對稱就造成了PN結正反向電阻值的差異，它會在一定的電壓范圍內(nèi)呈現(xiàn)出較為明顯的不對稱性，也就是PN結的“單向?qū)щ娦浴薄?/p>
3 總結
以上就是我對PN結單向?qū)щ娦詢?nèi)部導電的原理分析，但對于“空間電荷區(qū)”的概念也有許多不同的理解，盡管關于PN結的那些推倒式也是基于導體內(nèi)粒子的數(shù)學模型建立起來的，但對于那些令人匪夷所思的推倒式還是仁者見仁，智者見智。有人不認同“空穴”的存在，認為它是虛無縹緲的東西，是人為制造的名詞。有人認為既然只有半導體含有“電子空穴對”、導體只有自由電子，那金屬導線怎么傳輸空穴呢？只在半導體內(nèi)部激發(fā)再復合嗎？還是……等等。盡管更多的人認為半導體中空穴不能移動，只是電子在導電，但這并不能否定空穴的存在，從物理學角度出發(fā)，電子應該與空穴是同時存在的，只是空穴就是一個空位，不能移動而已。因此，如果把空間電荷區(qū)看作是一個“微小的間隙”，引入一個接觸電阻或接觸電動勢的概念就能很好的解釋半導體PN結的單向?qū)щ娦粤恕?/p>
以上就是我對PN結的單向?qū)щ娦栽淼姆治雠c理解，由于水平有限，難免有認識上的錯誤，請同志們提出寶貴意見，共同探討。
參考文獻
[1]張肅文主編.低頻電子線路[M].北京：高等教育出版社，2012.
[2]清華大學電子工程、工業(yè)自動化系編.晶體管電路[M].北京：高等教育出版社，2013.
[3]謝嘉奎，宣月清，謝洪臐編.電子線路-線性部分[M].北京：高等教育出版社，2009.
作者單位
國家新聞出版廣電總局五六四臺 北京市 100044
高俊杰
摘 要本文意在從本質(zhì)上揭示PN結的導電機理，換種思路理解PN結的單向?qū)щ娦浴Ｕ页鲆?guī)律在于化繁為簡，本文若被認可也許能夠建立起一種更為簡單的PN結模型。
【關鍵詞】微小的間隙 接觸電阻 接觸電動勢 單向?qū)щ?/p>
1 前言
提起PN結，大家都知道它具有正向?qū)ā⒎聪蚪刂沟奶匦裕玃N結為何具有單向?qū)щ娦阅兀窟@個問題就復雜了，現(xiàn)在比較流行的是引入一個“空間電荷區(qū)”的概念來解釋的，這就需要從PN結的構造說起。
2 PN結的單向?qū)щ娦?/p>
半導體具有摻雜性，P型和N型半導體就是利用在本征半導體也就是純凈的半導體中摻入不同價位的雜質(zhì)元素而形成的。P型也叫空穴型半導體，它是在硅、鍺等4價元素中摻入3價的硼、鋁等受主雜質(zhì)，在其共價鍵結構中缺少1個電子而形成空穴（見圖1）。N型半導體則在硅、鍺等4價元素中摻入5價的施主雜質(zhì)磷、銻等，這時就會在共價鍵中多出一個電子而形成自由電子（見圖2），因此半導體就具有了兩種載流子——電子和空穴對。在P型半導體中空穴是多子、電子是少子；N型半導體則相反，電子是多子、空穴是少子。
如果通過光刻和雜質(zhì)擴散等方法就能將一塊半導體分成P型半導體和N型半導體兩部分，它們之間就是一個PN結。它是構成半導體器件的基礎，其實一個二極管就是一個PN結。那么PN結是怎么具有單向?qū)щ娦缘哪兀?/p>
通常的說法是在不加外電壓時，這個PN結中P區(qū)的多子是空穴，N區(qū)的多子是電子（通常只考慮多子），因為濃度差，載流子必然向濃度低的方向擴散。在擴散前，P區(qū)與N區(qū)的正負電荷是相等的，呈電中性。當P區(qū)空穴向N區(qū)移動時，就在PN結邊界處留下了不能移動的負離子，用帶藍圈的負電荷表示； 當N區(qū)自由電子向P區(qū)移動時， 就在PN結邊界處留下了不能移動的正離子，用帶紅圈的正電荷表示，這樣就在空間電荷區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了一個內(nèi)建電場Upn，電場的方向是由N區(qū)指向P區(qū)的。在擴散作用下隨著Upn增大，載流子受到電場力Upn的作用而做漂移運動，它的方向與擴散運動相反，最終使載流子擴散與漂移達到動態(tài)平衡，形成了空間電荷區(qū)，如圖3所示。
當外加正向偏壓時，電源E提供大量的空穴和電子，E的電場方向與Upn的電場方向相反，空間電荷區(qū)被兩種載流子復合而消弱變窄，載流子容易通過擴散加強，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)。
當外加反向偏壓時，它的電場方向與Upn的電場方向一致，空間電荷區(qū)被增厚變寬，載流子不易通過擴散減弱，呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。此時僅有兩側的少子，也就是N區(qū)的空穴和P區(qū)的電子在Upn電場力作用下做漂移運動，形成較小的反向飽和電流IS，直至擊穿為止，其電流按二極管方程規(guī)律變化，這就是PN結的單向?qū)щ娦栽怼?/p>
在“空間電荷區(qū)”的概念里認為空穴和電子是可以自由移動的， PN結兩側的正負離子是不能移動的，“空間電荷區(qū)”的厚度決定了通過PN結電流的大小。但如果把“空間電荷區(qū)”看作是一個“微小的間隙”，即把它等效為一個接觸電阻，可能就更容易理解，更能反映PN結的單向?qū)щ娦詫嵸|(zhì)了。我們知道當電源E一定時，電流I的大小主要取決于導線電阻中能夠參與導電的載流子的多少，而在整個回路中PN結相對于其它導體原件能夠參與導電的載流子最少，也就像一道閘門，它的微小間距也就是它的接觸電阻決定了回路主要電流的大小。當PN結間隙小時接觸緊密，接觸電阻小；當PN結間隙大時接觸不緊密，接觸電阻大，因此PN結邊界處的接觸電阻是PN結導電的關鍵。
那么，PN結邊界處的接觸電阻又與誰有關呢？我們知道由于摻雜的原因，P區(qū)產(chǎn)生的空穴與N區(qū)產(chǎn)生的電子一定會相互吸引，它們必然向PN結邊界聚集，形成如圖4所示的接觸電動勢Epn。
當沒有外加電壓時，載流子要想通過PN結，就必須獲得足夠的能量，因此只有少部分高能的載流子才能夠穿過PN結與之復合，不能復合的空穴和電子就形成了一個由P區(qū)指向N區(qū)的接觸電動勢，其實質(zhì)就是一個具有電源性質(zhì)的接觸電動勢Epn，它與Upn方向相反。接觸電動勢Epn的存在是載流子擴散運動的結果。
當外加正向電壓時，電源E與接觸電動勢Epn方向相同，相互疊加。電源正極發(fā)出的正電荷與N區(qū)的自由電子相互吸引，電源負極發(fā)出的負電荷與P區(qū)的空穴相互吸引，PN結之間接觸更加緊密，它們之間的“微小的間隙”變窄，從而接觸電阻減小，PN結對外呈現(xiàn)低阻性。
當外加反向電壓時，電源E與接觸電動勢Epn方向相反，相互抵消。電源負極發(fā)出的負電荷與N區(qū)的電子相互排斥，電源正極發(fā)出的正電荷與P區(qū)的空穴相互排斥，PN結之間接觸不再緊密，它們之間的“微小的間隙”變寬了，從而接觸電阻增大，PN結對外呈現(xiàn)高阻性。
實際上，PN結由于各種材料的不同，它們的正反向電特性也即接觸電阻就會不完全對稱，這種材料的不對稱就造成了PN結正反向電阻值的差異，它會在一定的電壓范圍內(nèi)呈現(xiàn)出較為明顯的不對稱性，也就是PN結的“單向?qū)щ娦浴薄?/p>
3 總結
以上就是我對PN結單向?qū)щ娦詢?nèi)部導電的原理分析，但對于“空間電荷區(qū)”的概念也有許多不同的理解，盡管關于PN結的那些推倒式也是基于導體內(nèi)粒子的數(shù)學模型建立起來的，但對于那些令人匪夷所思的推倒式還是仁者見仁，智者見智。有人不認同“空穴”的存在，認為它是虛無縹緲的東西，是人為制造的名詞。有人認為既然只有半導體含有“電子空穴對”、導體只有自由電子，那金屬導線怎么傳輸空穴呢？只在半導體內(nèi)部激發(fā)再復合嗎？還是……等等。盡管更多的人認為半導體中空穴不能移動，只是電子在導電，但這并不能否定空穴的存在，從物理學角度出發(fā)，電子應該與空穴是同時存在的，只是空穴就是一個空位，不能移動而已。因此，如果把空間電荷區(qū)看作是一個“微小的間隙”，引入一個接觸電阻或接觸電動勢的概念就能很好的解釋半導體PN結的單向?qū)щ娦粤恕?/p>
以上就是我對PN結的單向?qū)щ娦栽淼姆治雠c理解，由于水平有限，難免有認識上的錯誤，請同志們提出寶貴意見，共同探討。
參考文獻
[1]張肅文主編.低頻電子線路[M].北京：高等教育出版社，2012.
[2]清華大學電子工程、工業(yè)自動化系編.晶體管電路[M].北京：高等教育出版社，2013.
[3]謝嘉奎，宣月清，謝洪臐編.電子線路-線性部分[M].北京：高等教育出版社，2009.
作者單位
國家新聞出版廣電總局五六四臺 北京市 100044
