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PN结的原理/特征/伏安特性/电容特性

   PN结的定义是什么?
  对于PN结的定义,首先我们看下来自于百度百科的内容:采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用,将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结(英语:PN junction)。
  是不是有点晦涩?学习就是要逐渐理解那些晦涩的定义,好了进入主题。我们首先拿出来一块硅(锗)片(本征半导体),灵光一闪我们就在这个硅片上确定一块区域,细致的我们打算用刀片去除这区域表面的二氧化硅层,因为他会阻挡我们掺入杂质(P型和N型杂质即杂质半导体),想了想刀片太粗鲁了,于是我们使用腐蚀(fǔ shí)剂。去除表面的二氧化硅之后在1000摄氏度的高温下,将其放在P(N)型杂质气体中,气体中的杂质就会向硅片上扩散形成了P型半导体,使用同样的方法掺杂另外一种杂质。在掺杂完成之后,在P型半导体和N型半导体之间,成的一块区域就是我们所说的PN结
   PN结的原理是什么?
  1、 掺杂半导体是什么?
  P型半导体
  在硅晶体中掺杂少量硼元素(或铟元素)(即我们之前提到的在PN结只制作过程中所掺杂的杂质气体),称为P型半导体,
  N型半导体
  在硅晶体中掺杂少量(或锑元素)(即我们之前提到的在PN结只制作过程中所掺杂的杂质气体),称为P型半导体,
  2、 PN结是怎样形成的?
  什么是空穴?什么是多子什么是少子?什么是施主原子?什么是受主原子?
  在P型半导体中,硼原子的最外面有三个电子,而硅原子外部有4个电子,当硼掺杂入硅中以后就会形成三个共价键,但是硼有4个电子却少了一个电子来形成共价键。比如有两个班级一个是彭老师的班级,另一个是硅老师的班级,我们简称硼班和硅班,现在硼班3个同学没有座位,硅班可以给硼班4个座位,但是分配完多出了一个位置,这个空出来的座位就被称为空穴。这时候多出来的这个座位(空穴)就被称为多子,多出座位缺少了学生(电子),所以这个学生就被称为少子。这里的硅班是把自己座位给了硼班,所以硅被称为施主原子,硼被称为受主原子。
  在N型半导体中,磷原子最外面有5个电子,而硅原子外部有4个电子,当磷掺杂入硅中以后就会形成4个共价键,但是磷原子多出了一个电子。好比现在我们让磷班和硅班合并,硅班还是需要四个学生来组合同桌,但是磷班给了5个同学,组合完同桌之后,发现多出来一个同学在那站着也没有座位。这时候多出来的这个同学(自由电子)就被称为多子,缺少的座位(空穴)被称为少子。这里的磷班是把自己的学生给了硅班,所以硼老师也被称为施主原子(硼原子),硅班被称为受主原子(硅原子)
  下面我们就可以说PN结是怎样形成的了,N区和P区挨的很近。N区域自由电子多空穴少,P区域空穴多自由电子少。这时候交界处N区的自由电子就会像P区扩散,而P区的空穴会向N区扩散,在交界处就形成了空间电荷区。这时候N区少了自由电子,本来平衡的电中性就会被打破,而带正电,而P区域少了空穴因此带负电,这时就会产生一个内电场,即从N到P的正向电压,我们知道之前电子是从N像P扩散的,但是现在正向电压也是从N向P,所以势必会阻止自由电子向P扩散(规定自由电子的流动方向与电压方向相反)。阻止的过程N的空穴流向P,P的自由电子流向N,这样内电场减小,之前的扩散运动又加强了,反反复复最终达到平衡。
  
   PN结的特征是什么?
  1、 概述
  PN结稳定之后,要想实现电流的流动必须外部施加电压,打破内部的平衡,从而达到目的。
  2、 PN结的反向击穿性是什么?
  在N端接正向电压,P端接负极,这样电压从N到P与内电场的方向一致,内电场增强,自由电子不断向N区域流动,空间电荷区不断变宽,如果不做限流处理最终将导致无法承受大量的自由电子涌入最终PN结烧毁。
  3、 PN结的单向导电性是什么?
  当P接正N接负时,内电场减小,空间电荷区由于自由电子不断从N向P扩散,空穴从P向N扩散变窄,最终自由电子进入P区不断流出,空穴进入N区不断流出,即导通。反之,如果N正P负,空间电荷区越来越大,越大N的自由电子和P的空穴越相互扩散,而由于外部施加了电压内电场也在增大,两个方向的电流相互对抗,不分彼此时不能导通,一旦外部电流过大就反向击穿了PN结。
  4、 PN结的伏安特性是什么?
  
  伏安特性的表达式
  id——通过pn结的电流
  vd——pn结两端的外加电压
  vt——温度的电压当量,vt=kt/q=t/11600 = 0.026v,其中k为波耳兹曼常数(1.38×10–23j/k),t为热力学温度,即绝对温度(300k),q为电荷(1.6×10–19c)。在常温下,vt≈26mv。
  e——自然对数的底
  is——反向饱和电流,对于分立器件,其典型值为10-8~10-14a的范围内。中pn结,其is值则更小。
  当vd》;》;0,且vd>vt时,;
  当vd<0,且时,id≈–is≈0。
  由此可看出pn结的单向导电性
  5、 PN结的电容特性是什么?
  两个相互靠近的导体,中间夹一层不导电的绝缘介质,这就构成了电容器。当加反电压时P区、空间电荷区、N区就形成了一个电容器。施加电压的大小会影响空间电荷区的宽窄,因此电压的大小会影响电容的大小。
  4、 PN结有什么应用?
  利用单向导电性,我们可以作为防止电流反向流动使用,因为反向电压击穿后电压不变所以做稳压二极管使用,根据电容特性可以做变容二极管使用。

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