2022-2023学年高二物理竞赛课件：PN 结及其单向导电性

PN 结及其单向导电性 PN 结及其单向导电性 在一块半导体的一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。 P N PN结 　PN 结的形成 扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流 空间电荷区的宽度约为几微米 ~ 几十微米； 等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与 漂移运动达到动态平衡。 电压壁垒 UD，硅材料约为(0.6 ~ 0.8) V, 锗材料约为(0.2 ~ 0.3) V。 PN结的接触电位差（内建电位差） 电位 电子势能 空间电荷区内的P区带负电荷，N区带正电荷，两者之间形成电位差，称为接触电位差 （ U ） 。 常温下（T=300K） 硅： 锗： 电子带负电，所以P区的电子势能高于N区的电子势能，电子要从N区到达P区需要越过一个能量高坡，称之为势垒。所以空间电荷区也称为势垒区。 PN结＝空间电荷区＝耗尽层＝阻挡层＝势垒区 E P N       PN 结的单向导电性 1. PN 外加正向电压 又称正向偏置，简称正偏。 外电场方向 内电场方向 空间电荷区 V R I 外电场将多子推向空间电荷区,使其变窄,消弱内电场,破坏原平衡,加剧扩散运动,产生较大正向电流 P N 　　在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，接入电阻 R。 2. PN 结外加反向电压(反偏) 空间电荷区 P N 外电场方向 内电场方向 V R IS 　反相偏置的 PN 结 　　反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高， IS 将急剧增大。 　　反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽； 　　不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I ； 由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。 　　综上所述： 　　当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处于 导通状态；当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。 　　可见， PN 结具有单向导电性。 　五、PN结的电容效应 　　当PN结上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。 电容效应包括两部分 势垒电容 扩散电容 1. 势垒电容 是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。 (a) PN 结加正向电压 （b) PN 结加反向电压 - N 空间 电荷区 P V R I + U N 空间 电荷区 P R I + - U V 　　空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。 势垒电容的大小可用下式表示： 　　由于 PN 结 宽度 l 随外加电压 U 而变化，因此势垒电容 Cb不是一个常数。其 Cb = f (U) 曲线如图示。  ：半导体材料的介电比系数； S ：结面积； l ：耗尽层宽度。 O U Cb 2. 扩散电容 Cd  Q 是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。 　　在某个正向电压下，P 区中的电子浓度 np(或 N 区的空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线 1 所示。 x = 0 处为 P 与 N 区的交界处 　　当电压加大，np (或 pn)会升高，如曲线 2 所示(反之浓度会降低)。 O x nP Q 1 2  Q 　　当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。  Q 　　正向电压时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程 —— 扩散电容效应。 综上所述： 　　PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为 Cj  Cd；当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj  Cb。 　　Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 ~ 几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。 1.2 $