5.雜質半導體——PN結

來自專欄科學與技術

在現代社會中，幾乎所有和電相關的設備都必不可少的需要使用各種類型的半導體，半導體在變流、邏輯處理等過程中發揮著不可替代的作用，本期就來為大家介紹一下最簡單的半導體——PN結。

大多數半導體都是以晶體硅為原料開發的，晶體硅的結構如圖上所示，和金剛石一樣，每個硅原子和周圍的四個硅原子形成正四面體結構。晶體硅是一種原子晶體，電子都被共價鍵強力束縛，因此不能導電。但是，人們通過摻雜改變了它的導電特性。

在晶體硅中摻入少量的+5價原子如磷原子或者銻原子，取代原有的硅原子，磷原子外層的五個外層電子的其中四個與周圍的半導體原子形成共價鍵，多出的一個電子幾乎不受束縛，較為容易地成為自由電子。這類半導體含有較高濃度的自由電子，稱為N型半導體（N為Negative的字頭，由於電子帶負電而得此名）。

在晶體硅中摻入少量的+3價原子如硼原子或者銦原子，取代原有的硅原子，硼原子外層的三個外層電子與周圍的半導體原子形成共價鍵的時候，會產生一個空穴，這個空穴可以吸引並束縛電子來填充，使得硼原子成為帶負電的離子。這類半導體含有較高濃度的空穴，稱為P型半導體（P為Positive的字頭，由於空穴帶正電而得此名）。

在一塊完整的矽片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導體，另一邊形成P型半導體，那麼在兩種半導體的交界面附近就形成了PN結。

在P型半導體和N型半導體結合後，由於N型區內電子很多而空穴很少，而P型區內空穴很多電子很少，在它們的交界處就出現了電子和空穴的濃度差別。這樣，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴散。於是，有一些電子要從N型區向P型區擴散，也有一些空穴要從P型區向N型區擴散。它們擴散的結果就使P區一邊失去空穴，留下了帶負電的雜質離子，N區一邊失去電子，留下了帶正電的雜質離子。半導體中的離子不能任意移動，因此不參與導電。這些不能移動的帶電粒子在P和N區交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區。

在出現了空間電荷區以後，由於正負電荷之間的相互作用，在空間電荷區就形成了一個內電場，其方向是從帶正電的N區指向帶負電的P區。顯然，這個電場的方向與載流子擴散運動的方向相反，阻止擴散。

另一方面，這個電場將使N區的少數載流子空穴向P區漂移，使P區的少數載流子電子向N區漂移，漂移運動的方向正好與擴散運動的方向相反。從N區漂移到P區的空穴補充了原來交界面上P區所失去的空穴，從P區漂移到N區的電子補充了原來交界面上N區所失去的電子，這就使空間電荷減少，內電場減弱。因此，漂移運動的結果是使空間電荷區變窄，擴散運動加強。

最後，多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡。在P型半導體和N型半導體的結合面兩側，留下離子薄層，這個離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。PN結的內電場方向由N區指向P區。在空間電荷區，由於缺少多子，所以也稱耗盡層。

由於內部電場的存在，PN結具有單嚮導電性。

（1）PN結加正向電壓時導通

如果電源的正極接P區，負極接N區，外加的正向電壓有一部分降落在PN結區，PN結處於正向偏置。電流便從P型一邊流向N型一邊，空穴和電子都向界面運動，使空間電荷區變窄，電流可以順利通過，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。於是，內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大於漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現低阻性。

（2）PN結加反向電壓時截止

如果電源的正極接N區，負極接P區，外加的反向電壓有一部分降落在PN結區，PN結處於反向偏置。則空穴和電子都向遠離界面的方向運動，使空間電荷區變寬，電流不能流過，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區的少子在內電場作用下形成的漂移電流大於擴散電流，可忽略擴散電流，PN結呈現高阻性。

但是，反向電壓過大時，會擊穿甚至永久損壞PN結。

好的，PN結就給大家介紹到這裡，下期為大家介紹《光電效應》