6.1PN结(课件）-高二《汽车电工电子基础》同步教学（北京理工大学出版社）

项目六 二极管及其在汽车中的应用 任务6.1PN结 任务6. 2晶体二极管 任务6. 3汽车交流发电机整流器电路 任务6. 4滤波、稳压电路 返回 1 任务6.1PN结 活动6.1.1半导体的导电情况 制造半导体器件的材料常用的有半导体单晶硅和单晶锗，这种由单一的硅(或锗)原子构成的晶体称为本征半导体。硅和锗都是四价元素，成晶体状时每一个原子外层的四个价电子都与邻近的原子形成共价键的结构。图6一1为硅(或锗)晶体共价键结构的示意图。 处于共价键上的某些电子在接受外界能量后可以脱离共价键的束缚成为自由电子。价电子脱离束缚成为自由电子后该电子原来位置上就会出现一个空位，这个空位称为空穴，空穴表示在该处缺少了一个电子。 丢失电子的原子显正电，称为正离子，故在分析时认为空穴是一个带正电的粒子。 下一页 返回 任务6.1PN结 在本征半导体内，自由电子和空穴是成对出现的，自由电子带负电，空穴带正电，二者所带电量相等、符号相反。自由电子和空穴都是载运电荷的粒子，称为载流子。 自由电子和空穴在电场力的作用下产生定向运动，载流子在电场力作用下的定向运动称为漂移运动。本征半导体内的电流就是由这样两种载流子的漂移运动形成的。 半导体内空穴电流也是电子定向运动产生的，但空穴电流与自由电子运动时所形成的电流不同，空穴电流是由处于共价键上的价电子不断填补空位形成的，如图6一2所示。共价键上的电子在电场力的作用下逆电场方向不断填补空位，相当于空穴沿电场方向运动形成空穴电流，这就是空穴电流与自由电子流的区别。 上一页 下一页 返回 任务6.1PN结 所以在本征半导体内参与导电的粒子有两种—自由电子和空穴。 在本征半导体内，脱离共价键的电子成为自由电子后也可能填补某个空穴，使离子恢复电中性，这个过程称为复合。 一般情况下本征半导体内的载流子数目有限，为增强它的导电性，可以在本征半导体内掺杂，以提高导电能力。向硅(或锗)单晶体内注入少量杂质元素后可使它的导电性能提高。 本征半导体注入的五价原子越多半导体内的自由电子数也就越多，导电性能得到改善。 掺入五价杂质的半导体，其自由电子的数目要比空穴数目多出许多，载流子中自由电子占多数，空穴占少数。 上一页 下一页 返回 任务6.1PN结 这种多数载流子是自由电子的掺杂半导体称为N型半导体，用图6-3(b)所示符号表示，符号的意思是，每注入一个五价的砷原子就会出现一个带正电的离子和一个自由电子。因此，N型半导体从总体上看仍然是电中性的。 为增强本征半导体的导电性，也可以向它注入三价元素的铝(或硼)。注入的铝原子取代了某些硅原子的位置，如图6 -4(a)所示，每注入一个铝原子就会出现一个空穴，当邻近的价电子填补这个空穴后，使得注入的杂质原子成为带负电的离子，同时出现一个空穴。本征半导体掺入三价元素的杂质后，多数载流子是空穴。 上一页 下一页 返回 任务6.1PN结 自由电子是少数、多数载流子是空穴的半导体称为P型半导体，P型半导体的符号如图6-4(b)所示，符号的意思是每注入一个三价铝原子后就会出现一个带负电的离子和一个空穴。同样P型半导体从总体看仍然是电中性的。 活动6. 1. 2 PN结及其单向导电性 将P型半导体与N型半导体通过物理、化学的方法有机地结为一体后，在两种半导体的交界处就形成了PN结。PN结具有非线性电阻的特性，可以制成整流元件，并且是构成多种半导体器件的基础。 PN结的形成与特性如下:当P型半导体和N型半导体共处一体后，在它们的交界处两边电子、空穴的浓度不同:N区多电子，P区多空穴，因此N型区内的电子要向P型区扩散，P型区内的空穴要向N型区扩散。 上一页 下一页 返回 任务6.1PN结 扩散首先是从交界面处开始的，N型区内的电子扩散到P型区后与空穴复合，N型区减少了电子，因此在N型区的一侧出现了带正电的粒子层，这层带正电子就是处于N型半导体共价键上失去一个自由电子的原子，它们是不能移动的正离子。同样，交界面P型区一侧要出现带负电的粒子层，随着电子、空穴的扩散，交界面两侧带电层逐渐增厚形成一个空间电荷区，如图6 -5所示，N型区带正电，P型区带负电。 内电场的出现使载流子电场力的作用下要产生漂移运动，内电场使得P型区内的电子返回N型区。 上一页 下一页 返回 任务6.1PN结 当空间带电区域比较薄时内电场较弱，载流子的扩散运动强于漂移运动，但随着扩散的进行，空间电荷区的厚度增加，内电场加强，使扩散运动减弱，漂移运动加强，最后将导致载流子的扩散运动与漂移运动达到动态平衡，即从N型区扩散到P型区的电子数目与从P型区漂移到N型区的空穴数相等，通过交界面的净载流子数目为零，这时空间电荷区的宽度不再增加。空间电荷区内已不存在载流子，因而又称这个空间为耗尽层。在半导体内部出现的空间电荷区产生的内电场阻止多数载流