P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體
P型半導(dǎo)體:空穴多,容易吸收電子。原子核電荷偏少,會形成負(fù)電荷;
多子為空穴,少子為電子。
N型半導(dǎo)體:電子多,電子容易掙脫。原子核電荷過多,會形成正電荷。
多子為電子,少子為空穴。
PN結(jié)與空間電荷區(qū)
1、PN結(jié)的構(gòu)成
如圖2-1,將一塊P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體相結(jié)合后,構(gòu)成PN結(jié)。P區(qū)與N區(qū)兩塊半導(dǎo)體之間形成了空間電荷區(qū)。(空間電荷區(qū)又稱阻擋層、耗盡層、勢壘區(qū))
圖2-1
2、空間電荷區(qū)的形成
因?yàn)镻區(qū)與N區(qū)交界處電子和空穴的濃度不一,造成了各區(qū)的多子會向另外一區(qū)移動的擴(kuò)散運(yùn)動。
首先,內(nèi)電場的方向是阻礙擴(kuò)散運(yùn)動的。其次,又吸引另外一區(qū)的少子來本區(qū)。此現(xiàn)象成為漂移運(yùn)動。
(簡單整理為:①多子才會發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動,電子從N區(qū)擴(kuò)散至P區(qū),空穴從P區(qū)擴(kuò)散至N區(qū)。②少子才會發(fā)生漂移運(yùn)動,空穴從N區(qū)漂移至P區(qū),電子從P區(qū)漂移至N區(qū)。)
最終,漂移運(yùn)動與擴(kuò)散運(yùn)動相平衡。P區(qū)、N區(qū)交界處的正負(fù)電荷趨于穩(wěn)定,這塊范圍稱為空間電荷區(qū)。
由于空間電荷的分布,PN結(jié)內(nèi)部形成一個(gè)內(nèi)電場,內(nèi)電場方向如圖2-2所示。(內(nèi)電場又稱自建電場)
圖2-2
正向偏置與反向偏置
正向偏置
亦稱正向?qū)顟B(tài)。當(dāng)外界施加一個(gè)電場給PN結(jié),外加電場方向如圖3-1所示。由于外加電場和內(nèi)電場的方向相反,在外電場的作用下,內(nèi)電場必定會被削弱,空間電荷區(qū)變窄,擴(kuò)散運(yùn)動增強(qiáng),PN結(jié)內(nèi)形成較大的擴(kuò)散電流,稱為正向電流IF。
圖3-1
2.反向偏置
亦稱反向截止?fàn)顟B(tài)。如圖3-2所示,當(dāng)外加電場的方向與內(nèi)電場方向一致時(shí),這無疑增強(qiáng)了內(nèi)電場。使得空間電荷區(qū)變寬。減弱了多子的擴(kuò)散運(yùn)動,無法形成正向電流。但是,少子的漂移運(yùn)動形成了反向電流,因?yàn)樯僮拥臄?shù)量很少,故反向電流IR非常小,通常是微安級別的。此時(shí),PN結(jié)成高阻態(tài)。
圖3-2
電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)
由于個(gè)人工作原因,本人接觸的都是電力二極管。區(qū)別于信息電子二極管,首先,其采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。另外,在P區(qū)與N區(qū)之間,增加了一塊低摻雜N-區(qū)域。如圖4-1所示。
圖4-1
使用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)可以使硅片通過電流的面積變大,提高二極管的通流能力。加入的N-區(qū),因?yàn)閾诫s濃度低,電阻率高,故可以承受很高的電壓(N-區(qū)的厚度,直接決定了二極管的擊穿電壓)。因此N-區(qū)越厚,二級管可以承受的反向電壓就越高。但是N-區(qū)的高電阻率,對于二極管的正向?qū)ㄊ遣焕摹?/p>
故利用電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)來解決之。電流反向如圖4-1所示。
當(dāng)i較小時(shí),電阻為N-區(qū)的歐姆電阻,此值為常數(shù)且較高。故管壓降隨著正向電流的增大而增大。
當(dāng)i較大時(shí),P區(qū)向N-區(qū)注入空穴。為了維持半導(dǎo)體的電中性,N-區(qū)的電子濃度也會上升。N-區(qū)的電子增多,其電阻率就會下降(電導(dǎo)率上升)。
這就是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。
結(jié)電容
PN結(jié)的電荷量,根據(jù)外加電場的變化而變化,這種現(xiàn)象呈現(xiàn)電容效應(yīng),稱為結(jié)電容CJ。結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率,在高速開關(guān)狀態(tài)下,可能會導(dǎo)致PN結(jié)的單向?qū)щ娦宰儾?。結(jié)電容又可以分為勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。三者關(guān)系如式5.1。
CJ=CB+CD——式5.1
勢壘電容:此值大小與PN結(jié)的截面面積成正比,與空間電荷區(qū)厚度成反比。且此值只有在外加電路變化時(shí),才起作用。外加電壓頻率越高,勢壘電容作用越明顯。
擴(kuò)散電容:此值只在正向偏置時(shí)起作用。正向偏置電壓越高,非平衡少子越多。擴(kuò)散電容越明顯。
整理一下:
反偏時(shí),勢壘電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擴(kuò)散電容。結(jié)電容約等于勢壘電容;
正偏時(shí),擴(kuò)散電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于勢壘電容。結(jié)電容約等于擴(kuò)散電容。
反向擊穿
PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力。第四小節(jié)我們提到這個(gè)能力取決于N-區(qū)的厚度。但是當(dāng)反向電壓過大時(shí),反向電流IR隨即變大,破壞了反向截止的工作狀態(tài),這就是反向擊穿。
反向擊穿分為齊納擊穿和雪崩擊穿。這兩種擊穿是可逆的,通俗來講,就是可以靠外電路中的保護(hù)措施,將反向電流限制住,從而在反向電壓降低后,PN結(jié)恢復(fù)到原來的狀態(tài)。
還有一種擊穿,是反向電流限制不住,導(dǎo)致PN結(jié)過熱,直接燒毀,稱為熱擊穿,熱擊穿不可逆。
齊納擊穿:一般發(fā)生在摻雜濃度大的二極管上,其空間電荷區(qū)窄。根據(jù)公式6.1可知,當(dāng)空間電荷區(qū)很窄很窄(式6.1中的d)時(shí),就算u不大,E也會很大,導(dǎo)致形成很大的電流,擊穿PN結(jié)。
E=u/d——式6.1
(E為電場強(qiáng)度、u為反向電壓、d為延場強(qiáng)E方向的距離)
雪崩擊穿:一般發(fā)生在摻雜濃度小的二極管上。根據(jù)式6.1,反向電壓u變大,電場強(qiáng)度變大,少子漂移的速度加快。撞壞共價(jià)鍵,從而產(chǎn)生了空穴和自由電子對。反向電流將增大,PN結(jié)擊穿。
審核編輯:湯梓紅
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