關于PN結以及PN結的簡單特性分享-KIA MOS管

關于PN結-半導體簡介、概念

半導體（semiconductor）從語義上理解就是電導率介于導體與絕緣體之間的物質。

我們之所以去特別關注這種物質，是因為在摻雜微量（約萬分之一）的雜質后就可以顯著改變它的導電性能。利用這個性質我們可以方便地得到各種電導率的物質。

那么什么是半導體呢？價電子少的元素，大多是金屬，導電性能優良；價電子多的元素大多組成非金屬，接近絕緣體。在兩者間4價元素（如硅元素）導電性能也介于兩者之間。

載流子（carrier）：意即電流的載體，其自由運動等效于電流。僅當物質內部存在有載流子時，物質才能導電。導電性能取決于載流子的數目和運動速度。（不難從電流的定義得知）

本征半導體

本征半導體（Intrinsic semiconductor）或稱無雜質半導體、本質半導體、純半導體、I型半導體，是指未摻入雜質且無晶格缺陷的的半導體。

其有如下特性：

①在熱力學溫度0K時，排除光照與電磁場等外界影響，價電子被共價鍵束縛，不能成為自由電子。此時本征半導體無載流子，相當于絕緣體。

②其他溫度下，由于熱激發，一些價電子會獲得足夠的能量成為自由電子（應滿足玻爾茲曼分布），這時共價鍵上會留下一個空位，我們稱其為空穴（positive hole）。此時的本征半導體具有導電性。

空穴也是一種載流子，我們從硅單晶的角度去理解：當組成共價鍵的一個電子脫離束縛，相鄰共價電子對中的價電子有可能（有多大呢？）會離開它原來所在的共價鍵，來填補這個空穴。

以此類推，整體上就表現出空穴的移動。我們可以把空穴看作一種與電子等電量，帶正電的粒子。

在外加電場的作用下，相鄰價電子會更容易去填補空穴。整體上表現出的就是空穴沿電場方向運動，這也符合正電粒子在電場中的運動。

本質上空穴的運動還是價電子運動的效果，由于兩者異號運動方向又反向，所以電流效果是一致的。

因此本征半導體的載流子有兩種——自由電子與空穴。

在本征半導體中，受激產生一個自由電子時，必然相伴產生一個空穴，電子與空穴總是成對出現的。這種現象稱為本征激發。

自由電子運動中碰到空穴，兩者抵消重新變為共價鍵的電子，這個過程為前者的反過程，稱為復合。在

一定的溫度下，最終這兩個過程的效果會趨于動態平衡，使得載流子濃度為定值。那么在不同的溫度下呢？以硅單晶為例，室溫附近每升高8度，硅的載流子濃度增加一倍。

倘若兩者濃度不等，我們稱濃度大對應的為多子，另一個為少子。

雜質半導體

①N型半導體

在本征硅中摻入微量的5價元素磷，多余出的一個電子不受共價鍵束縛，不難想見這會導致自由電子的濃度更大。（只需大于磷原子的本就較低的電離能，室溫即可滿足）稱這類原子為施主雜質，也稱N型雜質。

②P型半導體

在本征硅中摻入微量的3價元素硼，這會導致相較于本征半導體缺少一個成鍵電子（硼原子的電離能也很小，室溫即可滿足），即多出一個空穴。稱這類原子為受主雜質，也稱P型雜質。

在雜質半導體中，少子濃度遠小于多子濃度。多子濃度基本等于雜質濃度。雜質對半導體導電性能影響很大，摻入0.01%的雜質，會使載流子濃度增加約10000倍。

從產生機理來看，不難得知少子濃度受溫度影響較大，多子濃度幾乎不受溫度影響。

而當我們把P型雜質N型雜質同時混入，兩者會起到一定的中和作用，哪一個占主導就要看相對含量多少了。

PN結特性-PN結概念

在一個本征半導體上，我們一邊摻入P型雜質，另一邊摻入N型雜質。在兩者交界面附近，便會形成一個PN結。值得指出的是，把一塊N型半導體與一塊P型半導體放在一起并不能形成PN結。因為其交界面上并不是完整的單晶體。

對于一個PN結，其附近會發生自由電子和空穴的擴散。N區的自由電子擴散到P區同空穴相抵后仍有一定數量，使得邊界P側的離子帶負電。

同理，N區側的離子將帶正電。所謂的PN結就是交界面附近形成的這樣一個空間電荷區。最終其中會達到平衡，剩下的全是不能移動、數目相等的正負離子，而載流子因擴散和復合而消耗殆盡。故其又稱耗盡層。

這種擴散可以一直進行下去直至兩邊全形成PN結嗎？答案是不能，由于PN結內擴散的結果，形成的內電場對載流子的作用同載流子的擴散方向是反向的。

載流子在內電場的作用下產生漂移運動。擴散運動使得空間電荷區增寬、內電場增強，這反過來導致擴散阻力的增大。于是兩者最終會達到一種動態平衡。

由于內電場的作用，N區的電勢高于P區電勢，兩區之間存在電位差，N區電子擴散到P區會損耗能量。因此，空間電荷區又稱勢壘區或阻擋層。

外加電壓對PN結影響

①外加正向電壓

所謂正向就是正極接P區，負極接N區。稱為正向偏壓。這種情況下使耗盡層變窄，更利于擴散運動，當外加電壓大于內電壓時，將打破結的平衡，產生由N流向P的擴散電流。我們稱之為正向電流。

②外加反向電壓

我們將①中的情形全都反過來即可。所以說會存在反向電流？

nope.

因為這時外加電壓使耗盡區增寬，而PN結內又是一個穩定的動態平衡結構。因此理論上反向電流是不可能通過的。

PN結的這種單向導電性不免讓我們想到一種元件-二極管

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