?半導(dǎo)體的基礎(chǔ)—PN結(jié)

為啥說(shuō)PN結(jié)是基礎(chǔ)呢？

因?yàn)锽JT是由PN結(jié)構(gòu)成的，MOS管也是基于PN結(jié)的。

那PN結(jié)又是由什么構(gòu)成的呢？

PN結(jié)是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體構(gòu)成的。

那什么又是P型半導(dǎo)體呢？什么叫N型半導(dǎo)體呢？

像純硅，稱之為本征半導(dǎo)體，但是本征半導(dǎo)體里的載流子太少，沒(méi)啥用。

想要增加載流子濃度，就要摻雜。

那什么叫摻雜呢？

硅最外層有四個(gè)電子，稱為價(jià)電子。當(dāng)外層價(jià)電子數(shù)為8時(shí)，原子最穩(wěn)定。

本征半導(dǎo)體上，一個(gè)硅原子周?chē)?個(gè)硅原子，這4個(gè)硅原子分別出一個(gè)價(jià)電子與中間的硅原子的4個(gè)價(jià)電子結(jié)合，形成共價(jià)健。這樣，對(duì)每個(gè)硅原子來(lái)說(shuō)，就有8個(gè)價(jià)電子。

就像我有個(gè)女兒，我朋友有個(gè)兒子，我女兒認(rèn)我朋友做干媽，我朋友兒子認(rèn)我做干媽，這樣，我和我朋友就都既有女兒又有兒子了。

硅形成的本征半導(dǎo)體也一樣，我拿出一個(gè)價(jià)電子，你拿出一個(gè)價(jià)電子，這樣，我們就都有兩個(gè)價(jià)電子了。

外圍都有8個(gè)價(jià)電子，穩(wěn)定是穩(wěn)定了，但是也是板磚一塊，沒(méi)啥用啊。

摻雜，就是用價(jià)電子數(shù)比硅多的原子或價(jià)電子數(shù)比硅少的原子來(lái)取代其中的一些硅原子。讓自由載流子數(shù)多起來(lái)。

比如說(shuō)P原子，有5個(gè)價(jià)電子。拿出4個(gè)，與周?chē)?個(gè)硅原子共享后，還多一個(gè)電子。這個(gè)電子就成為自由電子。

再比如說(shuō)B原子，有3個(gè)價(jià)電子。那個(gè)周?chē)?個(gè)硅原子，只有3個(gè)形成共價(jià)鍵了，還有一個(gè)，只有孤零零的一個(gè)電子，旁邊空出來(lái)一個(gè)位置?？昭ň彤a(chǎn)生了。

那PN結(jié)都有啥作用呢？

這就要看PN結(jié)處在什么狀態(tài)下了。一個(gè)PN結(jié)，結(jié)的一頭是P型半導(dǎo)體，結(jié)的另一頭是N型半導(dǎo)體。P型的那頭，我們稱為陽(yáng)極，N型的那頭，我們稱為陰極。

我們可以對(duì)PN結(jié)什么都不干，也可以給他施加正向電壓，也可以給他施加反向電壓。

那如果不對(duì)PN結(jié)做什么，它會(huì)發(fā)生什么呢？

當(dāng)PN結(jié)外部沒(méi)有電壓時(shí)。表面看，好像什么都沒(méi)發(fā)生。但其實(shí)內(nèi)部也是風(fēng)起云涌。

想知道內(nèi)部發(fā)生什么，我們又需要先了解載流子的兩種運(yùn)動(dòng)方式。

一種，我們稱之為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)形成的電流稱為擴(kuò)散電流。

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是由濃度梯度引起的，就是說(shuō)，載流子會(huì)自發(fā)的從高濃度地方向低濃度運(yùn)動(dòng)。

另一種，被稱之為飄移運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)形成的電流稱為飄移電流。

飄移運(yùn)動(dòng)是由電場(chǎng)引起的，載流子受到電場(chǎng)力的作用而運(yùn)動(dòng)。

外部無(wú)任何連接的PN結(jié)，內(nèi)部主要是擴(kuò)散電流。

N型半導(dǎo)體中，載流子主要是電子，電子多，空穴少。

P型半導(dǎo)體中，載流子主要是空穴，空穴多，電子少。

電子會(huì)想從N型半導(dǎo)體處，流向P型半導(dǎo)體處?？昭▌t是想從P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體。從而形成擴(kuò)散電流。所謂空穴流動(dòng)，其實(shí)也是電子的流動(dòng)，因?yàn)榭昭ㄖ傅氖请娮恿鲃?dòng)出去，而形成的空的位置。

當(dāng)電子從N型半導(dǎo)體流出時(shí)，就會(huì)留下陽(yáng)離子；而空穴從P型半導(dǎo)體流出，則會(huì)留下負(fù)離子。

這些正負(fù)離子，分布在PN結(jié)附近的兩邊，形成耗盡區(qū)。之所以稱其耗盡區(qū)，是因?yàn)樵谶@區(qū)域，自由載流子都被耗盡了。

這個(gè)耗盡區(qū)則會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)對(duì)載流子產(chǎn)生的力與載流子流動(dòng)的方向相反，所以會(huì)阻礙擴(kuò)散電流的形成。等兩者達(dá)到平衡時(shí)，則PN結(jié)則處于無(wú)電流流動(dòng)的狀態(tài)。

那如果對(duì)PN結(jié)施加反向電壓呢，所謂反向電壓，即是在n端加正電壓，p端加負(fù)電壓。

因?yàn)橥饨与妷寒a(chǎn)生的電場(chǎng)與內(nèi)部PN結(jié)處的電場(chǎng)同向，所以會(huì)增強(qiáng)PN結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)。而內(nèi)電場(chǎng)的增強(qiáng)，則需要更多的正負(fù)離子形成。所以耗盡區(qū)會(huì)變寬。

如果將n端和p端，看成兩個(gè)平板，而中間的正離子和負(fù)離子，則可看做平板上的電荷。此時(shí)，PN結(jié)近似于一個(gè)電容。

耗盡區(qū)增寬，可以看作兩平板之間的距離拉大，即電容容值變小。

所以嘍，當(dāng)加反向電壓時(shí)，雖然增強(qiáng)的電場(chǎng)會(huì)阻礙擴(kuò)散電流的流動(dòng)，但是它確提供了一個(gè)重要的功能。

那就是，當(dāng)反向電壓變化時(shí)，PN結(jié)呈現(xiàn)出來(lái)的容值也變化，這個(gè)特性就相當(dāng)于一個(gè)可調(diào)電容在手啊。

那如果PN結(jié)上施加正向電壓呢？

所謂正向電壓，就是p端加正電，n端加負(fù)電。

當(dāng)施加正電壓時(shí)，外部電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)會(huì)削弱內(nèi)部電場(chǎng)，進(jìn)而使得擴(kuò)散電流的阻力減小，所以會(huì)有更多的載流子的流動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生大的擴(kuò)散電流。

這時(shí)，兩端對(duì)應(yīng)的多子的濃度變化相對(duì)不太明顯，但是少子的濃度則迅速增加。

PN結(jié)兩端的正向電壓與電流呈如下關(guān)系：

當(dāng)施加在PN結(jié)兩端的正向電壓增加60mV時(shí)，電流增加10倍。