關(guān)于PN結以及PN結的簡(jiǎn)單特性分享-KIA MOS管

關(guān)于PN結-半導體簡(jiǎn)介、概念

半導體（semiconductor）從語(yǔ)義上理解就是電導率介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)。

我們之所以去特別關(guān)注這種物質(zhì)，是因為在摻雜微量（約萬(wàn)分之一）的雜質(zhì)后就可以顯著(zhù)改變它的導電性能。利用這個(gè)性質(zhì)我們可以方便地得到各種電導率的物質(zhì)。

那么什么是半導體呢？?jì)r(jià)電子少的元素，大多是金屬，導電性能優(yōu)良；價(jià)電子多的元素大多組成非金屬，接近絕緣體。在兩者間4價(jià)元素（如硅元素）導電性能也介于兩者之間。

載流子（carrier）：意即電流的載體，其自由運動(dòng)等效于電流。僅當物質(zhì)內部存在有載流子時(shí)，物質(zhì)才能導電。導電性能取決于載流子的數目和運動(dòng)速度。（不難從電流的定義得知）

本征半導體

本征半導體（Intrinsic semiconductor）或稱(chēng)無(wú)雜質(zhì)半導體、本質(zhì)半導體、純半導體、I型半導體，是指未摻入雜質(zhì)且無(wú)晶格缺陷的的半導體。

其有如下特性：

①在熱力學(xué)溫度0K時(shí)，排除光照與電磁場(chǎng)等外界影響，價(jià)電子被共價(jià)鍵束縛，不能成為自由電子。此時(shí)本征半導體無(wú)載流子，相當于絕緣體。

②其他溫度下，由于熱激發(fā)，一些價(jià)電子會(huì )獲得足夠的能量成為自由電子（應滿(mǎn)足玻爾茲曼分布），這時(shí)共價(jià)鍵上會(huì )留下一個(gè)空位，我們稱(chēng)其為空穴（positive hole）。此時(shí)的本征半導體具有導電性。

空穴也是一種載流子，我們從硅單晶的角度去理解：當組成共價(jià)鍵的一個(gè)電子脫離束縛，相鄰共價(jià)電子對中的價(jià)電子有可能（有多大呢？）會(huì )離開(kāi)它原來(lái)所在的共價(jià)鍵，來(lái)填補這個(gè)空穴。

以此類(lèi)推，整體上就表現出空穴的移動(dòng)。我們可以把空穴看作一種與電子等電量，帶正電的粒子。

在外加電場(chǎng)的作用下，相鄰價(jià)電子會(huì )更容易去填補空穴。整體上表現出的就是空穴沿電場(chǎng)方向運動(dòng)，這也符合正電粒子在電場(chǎng)中的運動(dòng)。

本質(zhì)上空穴的運動(dòng)還是價(jià)電子運動(dòng)的效果，由于兩者異號運動(dòng)方向又反向，所以電流效果是一致的。

因此本征半導體的載流子有兩種——自由電子與空穴。

在本征半導體中，受激產(chǎn)生一個(gè)自由電子時(shí)，必然相伴產(chǎn)生一個(gè)空穴，電子與空穴總是成對出現的。這種現象稱(chēng)為本征激發(fā)。

自由電子運動(dòng)中碰到空穴，兩者抵消重新變?yōu)楣矁r(jià)鍵的電子，這個(gè)過(guò)程為前者的反過(guò)程，稱(chēng)為復合。在

一定的溫度下，最終這兩個(gè)過(guò)程的效果會(huì )趨于動(dòng)態(tài)平衡，使得載流子濃度為定值。那么在不同的溫度下呢？以硅單晶為例，室溫附近每升高8度，硅的載流子濃度增加一倍。

倘若兩者濃度不等，我們稱(chēng)濃度大對應的為多子，另一個(gè)為少子。

雜質(zhì)半導體

①N型半導體

在本征硅中摻入微量的5價(jià)元素磷，多余出的一個(gè)電子不受共價(jià)鍵束縛，不難想見(jiàn)這會(huì )導致自由電子的濃度更大。（只需大于磷原子的本就較低的電離能，室溫即可滿(mǎn)足）稱(chēng)這類(lèi)原子為施主雜質(zhì)，也稱(chēng)N型雜質(zhì)。

②P型半導體

在本征硅中摻入微量的3價(jià)元素硼，這會(huì )導致相較于本征半導體缺少一個(gè)成鍵電子（硼原子的電離能也很小，室溫即可滿(mǎn)足），即多出一個(gè)空穴。稱(chēng)這類(lèi)原子為受主雜質(zhì)，也稱(chēng)P型雜質(zhì)。

在雜質(zhì)半導體中，少子濃度遠小于多子濃度。多子濃度基本等于雜質(zhì)濃度。雜質(zhì)對半導體導電性能影響很大，摻入0.01%的雜質(zhì)，會(huì )使載流子濃度增加約10000倍。

從產(chǎn)生機理來(lái)看，不難得知少子濃度受溫度影響較大，多子濃度幾乎不受溫度影響。

而當我們把P型雜質(zhì)N型雜質(zhì)同時(shí)混入，兩者會(huì )起到一定的中和作用，哪一個(gè)占主導就要看相對含量多少了。

PN結特性-PN結概念

在一個(gè)本征半導體上，我們一邊摻入P型雜質(zhì)，另一邊摻入N型雜質(zhì)。在兩者交界面附近，便會(huì )形成一個(gè)PN結。值得指出的是，把一塊N型半導體與一塊P型半導體放在一起并不能形成PN結。因為其交界面上并不是完整的單晶體。

對于一個(gè)PN結，其附近會(huì )發(fā)生自由電子和空穴的擴散。N區的自由電子擴散到P區同空穴相抵后仍有一定數量，使得邊界P側的離子帶負電。

同理，N區側的離子將帶正電。所謂的PN結就是交界面附近形成的這樣一個(gè)空間電荷區。最終其中會(huì )達到平衡，剩下的全是不能移動(dòng)、數目相等的正負離子，而載流子因擴散和復合而消耗殆盡。故其又稱(chēng)耗盡層。

這種擴散可以一直進(jìn)行下去直至兩邊全形成PN結嗎？答案是不能，由于PN結內擴散的結果，形成的內電場(chǎng)對載流子的作用同載流子的擴散方向是反向的。

載流子在內電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生漂移運動(dòng)。擴散運動(dòng)使得空間電荷區增寬、內電場(chǎng)增強，這反過(guò)來(lái)導致擴散阻力的增大。于是兩者最終會(huì )達到一種動(dòng)態(tài)平衡。

由于內電場(chǎng)的作用，N區的電勢高于P區電勢，兩區之間存在電位差，N區電子擴散到P區會(huì )損耗能量。因此，空間電荷區又稱(chēng)勢壘區或阻擋層。

外加電壓對PN結影響

①外加正向電壓

所謂正向就是正極接P區，負極接N區。稱(chēng)為正向偏壓。這種情況下使耗盡層變窄，更利于擴散運動(dòng)，當外加電壓大于內電壓時(shí)，將打破結的平衡，產(chǎn)生由N流向P的擴散電流。我們稱(chēng)之為正向電流。

②外加反向電壓

我們將①中的情形全都反過(guò)來(lái)即可。所以說(shuō)會(huì )存在反向電流？

nope.

因為這時(shí)外加電壓使耗盡區增寬，而PN結內又是一個(gè)穩定的動(dòng)態(tài)平衡結構。因此理論上反向電流是不可能通過(guò)的。

PN結的這種單向導電性不免讓我們想到一種元件-二極管

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