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PN结的形成

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PN结的形成

所谓掺杂就是在高纯度的半导体晶体中掺入一些特定物质,从而使原有材料的导电性发生变化。通过掺杂,半导体的导电性就会大大提高。例如,可以向硅的晶体中掺入少量的磷(通常比例为八百万分之一)。这些掺入的磷原子会占据原来硅原子的位置,而且由于磷的最外层有5个电子,因此这些外层电子除了和周围的4个硅原子的电子配对形成共价键以外,还会多出一个电子。这个多余的电子就会在晶体中自由移动,使晶体导电。这种情景就好像在一个盒子的底部牢牢地镶嵌了一层玻璃球,而在这些排列有序的玻璃球中间,我们又外加了几个可以自由滚动的玻璃球一样。

空穴的产生

当半导体内掺入硼原子后,相当于占据了一个硅原子(锗原子)的位置,因为硼原子最外层只有3个电子,当这些电子与周围硅原子(锗原子)形成共价键的时候,自然就空出一个位置。因此,周围的硅原子(锗原子)的电子很容易就可以跑到空出的位置上,从而形成空穴。所谓空穴的移动,其实是这些电子在移动,方向相反,我觉得这一点和导体内电流方向与自由电子移动相反差不多。

其次是PN结正负电荷的产生。先要说明扩散运动和漂移运动的区别。扩散运动指的是由于浓度的差异而引起的运动;而漂移运动则是指在电场作用下载流子的运动。当在P型半导体部分区域掺入磷原子或在N型半导体部分区域掺入硼原子之后,由于扩散运动电子和空穴会在交界处复合,磷原子失去电子变成正电荷,硼原子得到电子变成负电荷,形成内部电场阻止多子的扩散。

当加上正向电压(正偏)且大于0.5V时,在外电场的作用下,多子向PN结运动,负电荷得到空穴中和,正电荷得到电子中和,因而PN结变窄,扩散运动较之前又会变强。同时,因为电源不断补充电子和空穴,使得多子的运动得以持续形成电流。

当加上反向电压(反偏)时,与内部电场方向一致,多子向PN结反方向移动使PN结变宽,只有少子的漂移运动,因为数目很少,所以形成的反向电流近乎于0,可认为阻断。要注意的是,若反向电压过大,则会导致击穿。原因是电场强制性地将电子拉出变成自由电子;而且当反向电流很大时发热也会很厉害,而半导体受温度影响很大,当温度升高时导电性会急剧增加。

 

模电:半导体和PN结

半导体(semi-conductor),是指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,而硅是在商业应用上最具有影响力的一种。

  • 本征半导体
    纯净不含杂质的半导体,称为本征半导体。
    以硅晶体结构为例:

    图片 1

    硅晶体共价键结构

硅是 4价原子,外部有4个电子。硅晶体内部形成一个网状结构,每两个硅原子之间都有2个电子组成共价键。  
   
我们知道,水流大小是由水分子的移动形成的,水是水流的**载流子**;同样,带电荷的可移动粒子是电流的**载流子**。由于受到共价键的束缚,原子核(带正电荷)和电子(带负电荷)都不可移动的,所以硅的导电性能比较差。  
   
硅晶体的共价键并不是非常坚固,由于受到温度、光、磁等能量的激发作用,极少的电子获得足够的能量,可以摆脱共价键的束缚,带负电荷的电子便可以移动了,支持了电流的形成。这个电子离开原子后,共价键就少了一个电子,留下一个空位置(我们称为空穴),该原子同时变成了带正电荷的离子。因为这种带正电荷的离子都有一个空穴,我们不如将空穴视为带正电荷的“粒子”(实际上空穴不是粒子,但是原子有空穴,就代表此处有正电荷)。  
   
这种由于热激发产生了一对“自由电子”和“空穴”的过程,称为**本征激发**。自由电子带负电荷,空穴带正电荷。自由电子和空穴都是半导体的载流子。  
同理,自由电子和空穴也可以复合。
  • 杂质半导体
    掺入杂质的半导体称为杂质半导体。
    由于本征导电性能差,如果参入 5价或者 3价的原子,可以大大提高其导电性能。
    比如,掺入 5价的磷原子后,磷的4个电子和周围4个硅原子形成共价键,还剩有1个电子,由于不受共价键束缚可以自由移动,这种杂质半导体称为N型半导体。N代表负极性Negetive,由于引入了1个自由电子,所以称为N型半导体。
    同理,掺入 3价的硼原子后,硼的3个电子和周围4个硅原子形成共价键的话,会出现一个空穴,这种杂质半导体称为P型半导体。P代表正极性Positive。

    图片 2

  • PN结
    将P型半导体和N型半导体放在一起后,在它们的接触面会形成PN结。
    PN结最显著的特点是:电流单向导通。
    我们都在初中物理中都学过扩散原理。由于浓度不均匀而产生的粒子定向运动,叫做扩散
    当把P型半导体和N型半导体结合在一起后,虽然原子受共价键作用不能移动,但是空穴和自由电子是可以移动的。于是,在接触面附近的电子和空穴会向对方区域移动而复合消失。

    图片 3

    扩散运动

   
在接触面附近,失去电子和空穴的原子变成了带电离子,但由于共价键束缚不可移动,便形成了一个内部电场。  

![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/2235237-2bd937375ab2d291)

内电场形成


这个内电场形成后,反过来又阻止扩散运动。最后会达到一个动态的平衡。中间这个内电场区域,因为只有离子也叫空间电荷区。内电场形成的电势阻止了电子和空穴的扩散、复合,在PN之间形成了一道壁垒,所以又称为势垒区。这就是PN结的形成过程。  
提一下,**由于内电场的作用,使载流子产生的运动,叫做漂移运动**。PN结内,漂移运动方向和扩散运动是相反的。
  • PN结的特点
    PN结最显著的特点是:电流正向导通,反向截止。
     
    给PN结外加正向电压时,我们称为正向偏置,简称正偏
    正偏状态下,外加的电场会削弱内电场的壁垒作用,空间电荷区变窄,电子和空穴穿越空间电荷区会容易些。在外电场的持续作用下,便可以形成持续的电流。外电场越大,电流越大。

    图片 4

    PN结正偏导通

   
给PN结外加反向电压时,我们称为**反向偏置,简称反偏**。  
反偏状态下,外加的电场会增强内电场的壁垒作用,空间电荷区变宽,电子和空穴更加难以进入空间电荷区,不能形成持续的电流。  

![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/2235237-306c1792bfd53222)

PN结反偏截止
����PN结形成过程:
▼浓度不均->扩散运动->PN中间,电子空穴复合消失
▼离子不能移动->空间电荷区->内电场->漂移运动,阻止扩散->动态平衡,形成PN结

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通过掺杂这种手段,终于诞生了一个伟大的发明──晶体管。通过将硅晶体上很多晶体管连接在一起,就组成了集成电路芯片,它是所有电脑、“智能”家电和其他很多设备的核心。也许不是人人知道,在半导体工业发展的初期,唱主角的并不是硅,而是另一种半导体──锗。硅之所以能超越锗而占了上风,除了因为其资源极为丰富,易于获得外,还在于它很容易形成稳定的氧化硅薄膜。这种薄膜不但可以对芯片起到很好的绝缘和保护作用,而且很容易在芯片中产生绝缘区,这是因为氧化硅具有很高的化学稳定性,可以抵抗温度的急剧变化,使氧化膜下面的硅晶体得到很好的保护,而不会像氧化铁那样──铁锈只能使铁器的锈蚀情况更加严重。

PN结的形成

在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:

       因浓度差

           ↓

     多子的扩散运动®由杂质离子形成空间电荷区

                         ↓

             空间电荷区形成形成内电场

               ↓                   ↓

   内电场促使少子漂移        内电场阻止多子扩散

    最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧,留下离子薄层,这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。

 


 

补充: 空穴与电子对

    我们知道,世界上的任何物质都是由原了构成的。原子中间都有一个原子核和者围绕原子核不停地旋转酌电子。不同元素的原子 所包含的电子数目是不同的。蔗原子的原子核周围有32个电子,围绕着原子核运动。原子核带有正电荷.电子带有负电荷;正电荷的数量刚好和全部电子的负电荷 数量相等,所以在平时锗原子是中性的。

    电子围绕原子核运动,和地球围绕太阳远行相似。在核的引力作用下,电子分成几层按完全确定的轨道运行,而且各层所能容纳的电子数日也有一定规律。如图所 示:在锗原子核周围的32个电子组成四层环,围绕原子核运动。从里往外数,第一层环上有2个电子,其余依次为8、18、4个电子。凡是环上的电子数为2、 8、18时.这些环上的电子总是比较稳定的。若环上的电子数不等于以上各数时,这些环上的电子总是不太稳定。

    因此,锗原子结构中,第一、二、三层的电于是稳定的,只有第四层(即最外一“层)的4个电于是不稳定的。因最外一层的电子没有填满到规定的数目。我们把最 外一层的电子叫做价电子。一般来说,最外层有几个价电子,其原子价就为几。锗的最外层有4个价电子,所以锗的原子价为4。

    受外界作用,环上的电子可以克服原子核的吸引力而脱离原子,自由活动成为自由电子。这些自由电子在电场力的作用下,产生空间运动,就形成了电流。可以想 像,由于最外层的价电子离核比较远,所受引力最小,所以最容易受外界影响而形成自由电子。因此,从导电性能看,价电子是很重要的。我们所说的锗元素就是依 靠它最外层的4个价电子进行导电的。  

     锗晶体内的原子很整齐的排列着。各个原子间有相互排斥的力量,而每个原子除了吸引自己的价电子外,还吸引相邻原子的价电子。因此,两个相邻原子的价电子便 成对地存在。这一对电子同时受这两个原子核的吸引,为它们所“共有”。这两个相邻原子也通过这个电子对被联系在一起。这样,电子对就好像起了键(联结)的 作用,我们叫它共价键。每一个锗原子以其4个价电子与其他4个锗原子的价电子组成4个共价键而达到稳定状态。

    在理想情况下,锗晶体中所有的价电子都织成了电子对,因此没有自由电子,这时锗晶体是不易导电的。

    但在外力作用下,如受温度变化,其中可能会有一个价电子脱离键的束缚,挣脱共价键而跳出来,成为自由电子。这时共价键中出现了一个空位,我们把这个空位叫 做空穴。由于原子本身正电荷和负电荷相等,故原子失去了电子后,整个原子就带正电荷,称为正离子。正离子容易吸引相邻原子的价电子来填补,电子离开后所留 下的空位,使相邻原子中又出现空穴,而这个新出现的空穴,又可能为别的电子去填充。电子这样不断地填充空穴,就使空穴的位置不断地在原子问转移。空穴的转 移,实际上也是电子(电荷)的运动,所以也就形成电流,这叫做空穴流。而原来失去的屯子,在晶体中运动,形成了电子流。为了便于叙述,今后就认为空穴在运 动,而且把它当作一个正电荷来看(实际上是空穴所在的原子呈现一个单位正电荷的电量)。由于空穴和电子都带有电荷,它们的运动都形成电流,所以就统称它们 为载流子。

    一块不含有杂质的、品格完整的半导体叫做本征半导体。因为它品格完整,如果有一个电子从共价键中释放出来,必定留下一个空众。所以本征半导体中电子和空众 总是成对地出现,它们的数日相等,称为电子一空穴对。在常温下,由于热运动的结果,在本征半导体中会产生一定数量的电子一空穴对,形成电子流和空穴流,总 的电流是两者之和。如没有外界电场作用,电子和空穴的这种运动是杂乱无章的,电子流和空穴流方向也是不定的,结果互相抵消,没有净电流出现。但在电场作用 下,这种半导体两端就出现电压,电子向正端方向运动,空穴向负端方向运动,形成了定向电流,半导体内就产生电流了。本征半导体因电场作用而产生的导电现象 就叫本征导电。

    通常,我们很少见到本征半导体,大多遇到的都是P型半导体或N型半导体。

    前面说过,半导体中加进了杂质,电阻率就大大降低。这是因为加进杂质后,空穴和电子的数目会大大增加。例如,在锗晶休中掺入很少一点三价元素铟,由于铟的 价电子只有三个,渗入锗晶体后,它的三个价电子分别和相邻的三个锗原子的价电子组成共价键,而对相邻的第四个锗原子,它没有电于拿出来和这个锗原子“共 有”了,这就留下了一个空穴(见图1一3(c))。因为掺入了少量的杂质铟,就会出现很多空穴;这是因为即使是少量的,里面含有的原子数目却不少。杂质半 导体中空穴和电子数目不相等,在电场作用下,空穴导电是主要的,所以叫空穴型半导体或者说是P型半导体。换句话说,P型或空穴型半导体内是有剩余空穴的, 掺入的杂质提供了剩余空穴。在P型半导体中,空穴是多数,所以称空穴为多数载流子;电子数目少,就叫少数裁流子。渗入的杂质能产生空穴接受电子,我们叫这 种杂质为受主杂质。

    如果把五价元素砷掺入锗晶体中,砷原子中有5个价电于,它和四个锗原子的价电子组成共价键后,留下一个剩余电子,这个剩余电子就在晶体中到处游荡,在外电 场作用下形成定向电子流。掺入少量的砷杂质就会产生大量的剩余电子,所以称这种半导体为电子型半导体或N型半导体。在这种半导体中有剩余电子,这时电子是 多数载流子,而空穴是少数载流子。因为砷是施给剩余电子的杂质,所以叫做施主杂质。

    如果没有外电场的作用,不论N型或P型半导体,它们的载流子运动是无规则的,因此,不会形成电流

    把一块P型半导休和N型半导体紧密联接在一起时(实际上只能用化学方法将两个原来独立的锗片合在一起).就会发现一个奇怪的现象,即在它们的两端加上适当 的电压时,会产生单向导电观象。因为这时在它们的交界面上形成了一个所谓P—N结的结构,单向导电现象就发生在这一薄薄的P—N结中。P—N结是晶体管的 基础,它是由扩散形成的。

    我们知道,P型半导体内空穴是多数载流子,即空穴的浓度大;而N型半导体内电子是多数载流予,电子的浓度大。二者接触之后,由于在P型区和N型区内电子浓 度不同,N型区的电子多,就向P型区扩散,扩散的结果如图1—4(b)所示。N型区薄层I中部分电子扩散到P型区去,薄层I便因失去电于而带正电。另一方 面,P型区的空穴多,也会向空穴浓度小的N型区扩散,结果一部分空穴从薄层I向P(型区扩散,使薄层Ⅱ带负电。

    电于和空穴的扩散是同时进行的,总的结果,P型区薄层Ⅱ流走了空灾,流进了电子,所以带负电,而N型区的薄层I流走了电子,流进了空穴,因而带正电,而且 随着扩散现象的继续进行,薄层逐渐变厚,所带的电量也逐渐增加。不过,这种扩散现象不会无休止的进行下去;当扩散进行到一定程度后,薄层Ⅱ带了很多负电, 从N型区向P型区扩散的电子总数因电子受到它的排斥不再继续增加;同样道理,从P型区向N型区扩散的空灾总数也不再增加。于是扩散似乎不再继续,而达到所 谓“动态平衡状态”。这时P—N结也就形成了。

    所谓P—N结,就是指薄层I和Ⅱ所构成的带电结构。因为它能阻止电子和空穴的继续扩散,所以也叫阻挡层。它们之间的电位差一般称势垒或位垒。

由于晶体硅具有这种结构,所以就不会像金属那样存在很多可以自由移动的自由电子,每一个电子都是被牢牢地挂在两个原子中间。当然,如果我们将温度升高,有一些电子就会获得额外的能量而摆脱原子的束缚,可以在晶体中自由移动,从而使晶体发生一定的变化。但与金属相比,晶体硅自由电子的数量是微不足道的,并不能显著提高其导电性。所以,硅是一种半导体──它既不是完美的绝缘体,又不是很好的电导体,曾被认为是没有多大用途的材料。不过,随着对半导体性质的深入研究,人们掌握了改变半导体导电性能的诀窍──掺杂,半导体终于成为电子工业的主角。

和碳原子类似,硅原子有4个外层电子,这就决定了它的物理和化学性质。表面看去,晶体硅和金刚石很不相同。金刚石是透明的、硬度非常高的固体,而晶体硅则是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体。但如果我们深入这两种物质的内部看看,就会发现它们的晶体结构(组成晶体的原子排列方式)是相似的:每1个原子都通过共价键同另外的4个原子相连。这就意味着每一对原子都共享有一个电子对。

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