pn结原理

2019-04-14 20:14发布

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我有点儿怀疑我的脑子是不是有问题……   今天，才算真正弄通pn结的基本原理。 从大一学模拟电路时便开始接触pn结，还记得当时一字一句的阅读那本模电书， 无论怎样也看不懂，看懂了，也记不住，记住了，也用不上……     【pn结】被喻为“集成电路的心脏”“太阳电池的心脏”， 应该也是一切半导体器件的心脏。   pn结的原理     看了很多本书，关于pn结方面的讲述，总是高深莫测，从没有通俗易懂的讲解， 因此我一直囫囵吞枣，希望我的这篇解释能显得通俗一些……     pn结的制作，以硅为基础，硅之所以是半导体， 和它的最外层有4个电子有很大关系。
真正纯净的晶体硅是不能用作半导体器件的，正所谓【水至清则无鱼】， 必须对其进行【掺杂】，掺杂是工艺方面的术语， 有很多方式，究其效果，和一把沙子投进米中的效果差不多。   假设有一块长方体形状的硅砖，左端放入一把磷原子，右端放入一把硼原子； 进行理论分析时，假设为均匀掺杂；
为什么用磷原子和硼原子呢？ 因为磷原子的最外层有5个电子，硼原子最外层有3个电子， 原子由原子核和核外电子组成，相对于电子， 原子核很大，大概是足球和足球场相比的结果，很悬殊；   因此，当硅、硼、磷原子手牵手排队时， 磷原子的一个外层电子就被无情的挤掉了， 便形成了一种非常重要的载流子——自由的电子；   另一方面，硼原子的外层形成一个小的空位， 是另一种载流子——我们称之为【空穴】。   水向低处流…… 硅砖中的两种载流子——自由电子和空穴也不例外：
由于掺杂的原因，硅砖的左侧聚集了大量的带负电荷的自由电子 （磷原子失去的，我们称磷为【施主】）， 右侧聚集了同样多的带正电荷的空穴，它们自然要向密度低的地方【扩散】， 扩散是专业术语，这样的流动形成了扩散电流。
但是有一点需要注意，虽然电子向右流动， 但左端的电子密度无论如何也要比右端大， 因此硅砖左端，也就是掺杂磷原子的部分， 被标记为n区【也就是negative】； 右端空穴密集，也就是正电荷密集， 自然成为p区【positive】。   相对于电子和空穴，这时失去电子的磷原子带一个单位正电荷， 成为挺立不动的阳离子； 硼原子带一个单位负电荷，同样不动，成为阴离子。   两种离子像两堵墙一样排列在pn结的两侧，专业一点讲， 像平行板电容器，电场方向为从左向右。
这堵墙阻挡了自由电子和空穴的自由流动，我们称之为阻挡层，或者耗尽层， 因为这里充满了固定电荷，它还叫做空间电荷区； 当然，最出名的名字，叫做【内建场】。
唉，真搞不懂，明明不复杂的东西，硬要搞出许多复杂的名号……   如上所述，一块完整的pn结产生：
它像一块长方形砖块， 左端充满自由电子，因此叫n区， 右端充满空穴，叫p区；   中间部分，靠左些是一排不能动的磷离子，带正电荷， 靠右些是一排不能动的硼离子，带负电荷， 两堵墙组成内建场，使硅砖内部的、微小的、不安分的电子和空穴保持平衡。
这是一种动态平衡。   所谓动态平衡，外表看起来是静止，实则有两股相反的电流同时存在， 刚好它们的大小相同，因此看起来平衡。
其中一股就是上边说的【扩散电流】【diffusion】， 另一股，有内建场撑腰，叫做【漂移电流】【drift】。   再说说pn结的正偏和反偏：   正偏和反偏，都是在pn结的外部加电压，只是方向不同：
所谓正偏，就是在p端加正电压，n端加负电压， p＝positive，n=negative，容易记住吧？反之为反偏。   正偏时，外电压的方向刚好和内建场的方向相反，半导体的内建场的电压不到1v，很容易湮没在外电场的淫威之下，此时的pn结内部，有如滔滔江水， 电子和空穴自由流动，形成很大的电流，类似于短路；
反偏时，外电压和【内建场】方向一致，帮助【内建场】筑起高墙， 阻隔电子和空穴的流动。 此时只有很小的反偏电流，多数情况下被忽略不计，好像pn结是关断的……   大家耳熟能详的二极管的整流特性，就是应用上述原理。     今天累了，罗里罗嗦写了这多，列为看官辛苦了……   今天终于弄通了pn结的原理，所谓一通百通，有关半导体的其它理论， 如【能带】、【费米能级】、【光电效应】、 【光生伏特效应】、【光电导】   这些太阳电池的基本理论，也就可以融汇了……