2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：PN結(jié)

PN結(jié)

結(jié)：兩種物質(zhì)形成原子或分子級接觸稱為結(jié)或接觸。由N型和P型半導(dǎo)體形成的結(jié)叫做PN結(jié)。同質(zhì)結(jié)：由同種半導(dǎo)體材料形成的結(jié)叫做同質(zhì)結(jié)，同質(zhì)結(jié)也有同型異質(zhì)結(jié)和異型異質(zhì)結(jié)之分（這里型指的是導(dǎo)電類型）。異質(zhì)結(jié)：由不同種半導(dǎo)體材料形成的結(jié)叫做異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)又有同型同質(zhì)結(jié)和異型同質(zhì)結(jié)之分（這里型指的是導(dǎo)電類型）。高低結(jié)：由同種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料形成的結(jié)叫做高低結(jié)，比如P-P結(jié)，N-N結(jié)。金屬-半導(dǎo)體結(jié)：由金屬和半導(dǎo)體形成的結(jié)叫做金屬-半導(dǎo)體結(jié)，常稱為金屬-半導(dǎo)體接觸。

突變結(jié)：P型區(qū)和N型區(qū)之間的雜質(zhì)分布變化陡峭.線性緩變結(jié):P型區(qū)和N型區(qū)之間的雜質(zhì)分布變化比較緩慢,可看做是線性變化的.單邊突變結(jié)：PN結(jié)一側(cè)的摻雜濃度比另一側(cè)的高得多，表示為或

中性區(qū):中性指的是電中性,PN結(jié)空間電荷區(qū)以外的區(qū)域(P區(qū)和N區(qū))的電阻與空間電荷區(qū)的電阻相比可以忽略,加偏壓時它們承受的電壓降可以忽略故稱為中性區(qū)

耗盡區(qū)與耗盡近似:空間電荷區(qū)里自由載流子濃度與電離雜質(zhì)濃度相比可以忽略,可以說自由載流子被耗盡了,因此把空間電荷區(qū)叫做耗盡區(qū).這種近似叫做耗盡近似

勢壘區(qū):空間電荷區(qū)兩側(cè)存在內(nèi)建電勢差相應(yīng)電勢能差稱為勢壘.由于空間電荷區(qū)兩側(cè)存在電子和空穴的勢壘因此也把空間電荷區(qū)叫做勢壘區(qū).勢壘區(qū)和空間電荷區(qū)、耗盡區(qū)指的是同一件事。少子擴(kuò)散區(qū)：空間電荷區(qū)兩側(cè)中性區(qū)里一到幾個擴(kuò)散長度的區(qū)域內(nèi)注入少子以擴(kuò)散方式運動，這個區(qū)域稱為少子擴(kuò)散區(qū)，簡稱為擴(kuò)散區(qū)。擴(kuò)散近似：在PN結(jié)中性區(qū)由于有注入的過量少數(shù)載流子存在，建立起一瞬間電場。此電場吸引過量多子以中和注入的過量少數(shù)載流子，使電中性得以恢復(fù)。結(jié)果是，在少子注入?yún)^(qū)，可能有很高的過量載流子濃度而無顯著的空間電荷效應(yīng)。于是可以認(rèn)為在中性區(qū)過量載流子將以擴(kuò)散方式運動，這種近似稱為擴(kuò)散近似。正向注入：正偏壓使PN結(jié)N區(qū)多子電子從N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，使P區(qū)多子空穴從P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散（這些載流子在進(jìn)入對方區(qū)域之后成為對方區(qū)域中的少子）這種現(xiàn)象稱為少子的正向注入。反向抽取：反偏PN結(jié)空間電荷區(qū)電場將N區(qū)少子空穴從N區(qū)向P區(qū)漂移，將P區(qū)少子電子從P區(qū)向N區(qū)漂移，這種現(xiàn)象稱為載流子的反向抽取。正偏復(fù)合電流：正偏壓使得空間電荷層邊緣處的載流子濃度增加，以致

。這些過量載流子穿越空間電荷層，使得載流子濃度可能超過平衡值，預(yù)料在空間電荷層中會有載流子復(fù)合發(fā)生，相應(yīng)的電流稱為復(fù)合電流反偏產(chǎn)生電流在結(jié)反向偏壓的情況下，空間電荷區(qū)中

。于是會載流子的產(chǎn)生，相應(yīng)的電流即為空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流。隧道電流：當(dāng)P側(cè)和N側(cè)均為重?fù)诫s的情況時，有些載流子可能穿透(代替越過)勢壘而產(chǎn)生電流，這種電流叫做隧道電流

產(chǎn)生隧道電流的條件：（1）費米能級位于導(dǎo)帶或價帶的內(nèi)部；（2）空間電荷層的寬度很窄，因而有高的隧道穿透幾率；（3）在相同的能量水平上在一側(cè)的能帶中有電子而在另一側(cè)的能帶中有空的狀態(tài)。當(dāng)結(jié)的兩邊均為重?fù)诫s，從而成為簡并半導(dǎo)體時，這些條件就得到滿足。

隧道二極管的主要特點：1、隧道二極管是利用多子的隧道效應(yīng)工作的。由于單位時間內(nèi)通過結(jié)的多數(shù)載流子的數(shù)目起伏較小，因此隧道二極管具有較低的噪音。2、隧道結(jié)是用重?fù)诫s的簡并半導(dǎo)體制成，由于溫度對多子漲落的影響小，使隧道二級管的工作溫度范圍大。3、由于隧道效應(yīng)的本質(zhì)是量子躍遷過程，電子穿越勢壘極其迅速，不受電子渡越時間的限制，因此可以在極高頻率下工作。

過渡電容(耗盡層電容)：PN結(jié)空間電荷會隨著外加偏壓的變化而變化，相應(yīng)的電容叫做過渡電容也叫做耗盡層電容。表示為：擴(kuò)散電容：PN結(jié)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的貯存電荷量會隨著外加偏壓的變化而變化，相應(yīng)的電容叫做擴(kuò)散電容。表示為：電荷貯存效應(yīng)：PN結(jié)由正偏変為反偏，注入的非平衡載流子并不能立即去除。這種現(xiàn)象稱為電荷貯存效應(yīng)。

其中隧道擊穿：在高電場下耗盡區(qū)的共價鍵斷裂產(chǎn)生電子和空穴，即有些價電子通過量子力學(xué)的隧道效應(yīng)從價帶移到導(dǎo)帶，從而形成反向隧道電流。這種機制稱為齊納擊穿，也叫做隧道擊穿。雪崩擊穿：在N區(qū)（P區(qū)）的一個雜散空穴（電子）進(jìn)入空間電荷層，在它掠向P區(qū)（N區(qū)）的過程中，它從電場獲得動能。空穴（電子）帶著高能和晶格碰撞，并從晶格中電離出一個電子以產(chǎn)生一個電子

空穴對。在第一次碰撞之后，原始的和產(chǎn)生的載流子將繼續(xù)它們的行程，并且可能發(fā)生更多的碰撞，產(chǎn)生更多的載流子。結(jié)果，載流子的增加是一個倍增過程，稱為雪崩倍增或碰撞電離，由此造成的PN結(jié)擊穿叫做雪崩擊穿。

分別采用費米能級和載流子擴(kuò)散與漂移的觀點分析結(jié)空間電荷區(qū)的形成：假設(shè)在形成結(jié)之前N型和P型材料在實體上是分離的。在N型材料中費米能級靠近導(dǎo)帶邊緣，在P型材料中費米能級靠近價帶邊緣，當(dāng)P型材料和N型材料被連接在一起時，費米能級在熱平衡時必定恒等，否則，就要流過電流。恒定費米能級的條件是由電子從N型一邊轉(zhuǎn)移至P型一邊，空穴則沿相反方向轉(zhuǎn)移實現(xiàn)的。電子和空穴的轉(zhuǎn)移在N型和P型各邊分別留下未被補償?shù)氖┲麟x子和受主離子和。結(jié)果建立了兩個電荷層即空間電荷區(qū)。另一方面，也可以通過考慮載流子的擴(kuò)散和漂移得到這種電荷分布。當(dāng)把N型和P型材料放在一起時，由于在P型材料中有多得多的空穴，它們將向N型一邊擴(kuò)散。與此同時，在N型一邊的電子將沿著相反的方向擴(kuò)散，即由N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散。由電子和空穴擴(kuò)散留下的未被補償?shù)氖┲骱?/p>

受主離子建立了一個電場。這一電場是沿著抵消載流子擴(kuò)散趨勢的方向在熱平衡時，載流子的漂移運動正好和載流子的擴(kuò)散運動相平衡，電子和空穴的擴(kuò)散與漂移在N型和P型各邊分別留下