2022-2023学年高二物理竞赛课件：PN结的单向导电性

PN结的单向导电性 2 PN结的单向导电性 外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏； 若外加正向电压，使电流从P区流到N区， PN结呈低阻性，所以电流大； P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。 若外加反向电压，PN结呈高阻性，所以电流小； 3 1. PN结加正向电压时的导电情况 正向偏置 - P接电源正，N接电源负 外电场与内电场方向相反（削弱内电场），使 PN结变窄。 扩散运动＞漂移运动。 称为“正向导通”。 PN结呈低阻性。 3 3 4 2. PN结加反向电压时的导电情况 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 反向偏置 - P接电源负，N接电源正 外电场与内电场方向相同（增强内电场），使PN结变宽。 扩散运动＜漂移运动 称为“反向截止”。 PN结呈高阻性。 5 PN结的单向导电性 正向特性 反向特性 归纳 ◆ ◆ 外电场削弱内电场，PN结电阻小， 电流大，导通； I的大小与外加电压有关； 外电场增强内电场，结电阻大，反向电流很小，截止； I反的大小与少子的数量有关，与温度有关。 P（+），N（-） P（-），N（+） 5 5 6 三、PN结的电流方程 式中，UT＝kT/q，称为温度电压当量，与温度成正比， 常温下即热力学温度T=300K时，UT＝26mV。 IS为反向饱和电流 正向特性：u>0，u↑→i↑，u>>UT时， 按指数规律快速增加。 反向特性：u<0， |u|>>UT 时，i≈-IS，恒定不变。 PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系： 7 四、 PN结的伏安特性 u i U(BR) 0 u>0，u↑→i↑ 正向特性 反向特性 |u|↑>U（BR）， －－反向击穿 u<0， i≈-IS，恒定不变 按指数规律快速增加 8 ①齐纳击穿：高掺杂时，PN结很薄，不大的反向电压就形成很强的电场，破坏共价键，价电子→自由电子，载流子数量↑↑，反向电流↑↑。（齐纳击穿电压较低） ②雪崩击穿：掺杂浓度低时，PN结较宽，当反向电压增加到较大值时，漂移速度加快，撞击价电子，价电子获得能量，产生自由电子空穴对，参加漂移，再撞击其它的价电子，形成连锁反应，使载流子数↑↑，反向电流↑↑。 电击穿：当 |u |↓→自由电子变回价电子→反向电流↓。 可逆。 热击穿：电流很大，烧坏PN结。不可逆。 PN结反向击穿的原因： 二极管电击穿:指的是因电压过高导致PN结突然反向电流增大，如果有限流装置不一定烧毁，热击穿也是电流过大【但是不一定需要很高的电压，只要超过了二极管的临界极限】导致内部温度过高，致使内部结构损毁！ 8 9 五、 PN结的电容效应 PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。 一是势垒电容Cb ， 二是扩散电容Cd 。 9 10 1、势垒电容Cb 势垒电容示意图 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。 2、扩散电容Cd 扩散电容示意图 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。 11 结电容： 若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！要考虑其电容特性： PN结正偏时，扩散电容Cd起主要作用； PN结反偏时，势垒电容Cb起主要作用。 结电容不是常量！ Cb和 Cd 均在pF量级： Cb 一般在几 ~ 几十pF。 Cd 一般在几十 ~ 几百pF 利用结电容可制成变容二极管。 12 问题 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？ 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？ 为什么半导体器件有最高工作频率的限制？ $