什么是PN结

欧大琛 2019-05-15 AM 1668℃ 0条

FBI WARNING:本文是个人对PN结的理解,若有错误,望不吝赐教,谢谢!

二极管、三极管作为电路中的常见元件,了解其工作原理是非常必要的,但是在此之前,我们先了解下什么是PN结。

1.什么是电流

百度百科这样定义:导体中的自由电荷在电场力的作用下做有规则的定向运动就形成了电流。

自由电荷来自哪里:导体内的自由电子、电解液内的离子、等离子体内的电子和离子、强子内的夸克。

以金属为例,金属具有良好的导电性,说明其内部有丰富的自由电子,那么这些自由电子又来自哪里?

要想弄清楚自由电子来自何处,我们就要穿越回初三年级的化学课堂,重新学习原子核外电子分层排布的相关知识(时光机

一般来说,金属原子的最外层核外电子一般小于4,较容易受刺激失去电子,形成众多自由的电子,这就为其良好的导电性提供了必要的条件。

在金属导体两端施加电压,使导体内部形成一个电压分配电场,这些自由电子在该电场的作用下发生定向移动形成电流。

2.什么是共价键

原子通过化学键形成多种多样的物质,化学键并不止共价键这一种,还包含离子键、金属键等,这里围绕共价键主要是因为后面需要介绍的P型、N型半导体中是通过共价键形成。

共价键定义:两个或多个原子共同使用它们的外层电子,在理想情况下达到电子饱和的状态,由此组成比较稳定的化学结构叫做共价键,或者说共价键是原子间通过共用电子对所形成的相互作用。

以常见的半导体材料硅为例,考虑到原子结构复杂,为方便理解,将其简化为二维结构,硅的简化模型如下图:

硅的简化模型

纯硅的简化结构如下图:

硅的简化模型

不同原子的最外层核外电子两两配对,形成共价键。

3.本征半导体的导电性

对于完全纯净、结构完整的半导体晶体,我们称之为本征半导体,从纯硅的简化结构图可以看出,硅原子的核外电子均受到共价键的约束,没有多余的可自由移动的电子,这意味着硅不具备导电性么?实际上并不是这样,由于半导体中形成的共价键的束缚力并没有绝缘体中形成的那样强烈,因此,其共价键上的电子容易受到外界的热振动能量而挣脱共价键的束缚,成为自由电子,这种现象称之为本征激发,由于挣脱束缚的电子数量相对较少,因此纯硅的导电率较低。
电子挣脱共价键的束缚成为自由电子势必会在共价键中流出空位,这里我们称之为空穴。

硅的简化模型

在电场的作用下,邻近电子则会填补到空穴中,形成新的空穴,其他电子又会迁移到新的空穴上,这样就形成了电荷迁移。

硅的简化模型

上图可知,在电场作用下,B处的电子会迁移到A处空穴,此时B处形成新的空穴,而C处电子又会以相同的方式迁移至B处新空穴,以此类推,形成了电子的定向移动,形成电流。
物理学上定义电流的方向为正电荷移动的方向,因此由上图可以知道电流方向与电子(带负电)移动方向相反,与空穴(相当于带正电)移动方向相同。

4.掺杂的半导体

为了提高本征半导体的导电性,可以通过向本征半导体中掺入微量杂质。根据掺入的杂质的性质不同,可以分为P型半导体与N型半导体。

P型半导体

在硅晶体中掺入少量三价元素,如硼,因硼最外层仅有三个电子,因此在与硅原子结合形成共价键过程中会产生空穴,当然此时整个半导体依然处于电中性,如下图:

硅的简化模型

由于空穴数量远大于自由电子的数量,因此可以看作带正电的空穴参与导电,因此称之为Positive,即P型。

N型半导体

在硅晶体中掺入少量五价元素,如磷,因与磷最外层有五个电子,因此在硅原子结合形成共价键过程中会多余一个电子,当然此时整个半导体依然处于电中性,如下图:

硅的简化模型

由于自由电子的数量远大于空穴数量,因此带负电的电子参与导电,因此称之为Negative,即N型。

5.PN结

当我们向本征半导体不同区域分别掺入三价元素与五价元素

硅的简化模型

这样就形成了P区与N区,在他们的交界处就形成了电子与空穴的浓度差异,P型区域的空穴浓度高,N型区域的电子浓度高。

硅的简化模型

由于浓度差异,电子与空穴都要从浓度高的区域向浓度低的区域扩散。

硅的简化模型

在未发生扩散运动前,P区与N区均处于电中性,扩散后,由于N区的电子渗透至P区,使得P区交界处带有负电,相应的N区交界处则带有正电,因此在交界区两侧形成电势差,进而产生一个N区指向P区的内电场。有趣的是,这个内电场又使得电子(负电)重新向N区漂移,阻止了电子的扩散运动,这种扩散运动(<font color=red>红色</font>箭头表示)与漂移运动(<font color=orange>黄色</font>箭头表示)相互联系又相互制约,形成了PN结。

硅的简化模型

6.PN结的单向导电性

施加正向电压(P正N负)

当我们对PN结的P区施加正电压,N区施加负电压,则会形成下图所示的外加电场,该电场与内电场相反。当外电场大小与内电场相等时,则漂移运动被抵消,此时扩散运动形成扩散电流,N区的电子不断扩散到P区,PN结内的电流由扩散电流决定,在外电路上形成一个流入P区的正向电流。

硅的简化模型

施加反向电压(P负N正)

相反的,当我们对PN结的P区施加负电压,N区施加正电压,此时形成的外加电场与内电场相同,这也就加强了电子的漂移运动,N区的自由电子的扩散运动被抑制,大量电子无法穿越PN结进入P区,因此无法形成电流。

硅的简化模型

标签: 二极管, 三极管, PN结

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欧大琛

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