p-n结的形成原理和应用-

p-n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。通过对半导体材料两侧掺入施主和受住型原子,可以在半导体材料两侧形成过剩的电子载流体和空穴载流体,并在浓度梯度下发生互扩散,失去载流体的原子变成不能移动的反离子,在彼此之间形成与空穴扩散方向相反,电子扩散方向相同的内电场,使得载流子的扩散与电迁移达到平衡,形成p-n结。

P-N结的形成原理与应用

程松普

摘要：p-n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。 p-n结的形成与固体掺杂是分不开的，其基本形成原理是在一块单晶半导体两侧，一侧掺有受主杂质形成P型半导体，另一侧掺有施主杂质形成N型半导体，P型半导体和 N型半导体的交界面附近的过渡区称为P-N结。

1. p—n结的形成

1.1 p型半导体和n型半导体

以硅为列子，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，掺杂有很多方式，究其效果各异[1]。假设有一块长方体形状的硅晶体，左端掺端一些硼原子，右端掺一些磷原子，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，硅原子最外层有4个电子，所以磷原子取代晶格中硅原子的位子时，会使得取代位多出一个电子，便形成了一种非常重要的载流子——自由的电子；硼原子取代晶格中硅原子的位子时，会使得取代位缺失一个电子，形成另一种载流子——我们称之为空穴[2]。图1.1为掺杂时的示意图。

1.1半导体掺杂示意图

p-n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。通过对半导体材料两侧掺入施主和受住型原子,可以在半导体材料两侧形成过剩的电子载流体和空穴载流体,并在浓度梯度下发生互扩散,失去载流体的原子变成不能移动的反离子,在彼此之间形成与空穴扩散方向相反,电子扩散方向相同的内电场,使得载流子的扩散与电迁移达到平衡,形成p-n结。

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，硅晶体的右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，左侧聚集了同样多的带正电荷的空穴，它们自然都要向密度低的地方扩散，这样的流动形成了扩散电流。但是有一点需要注意，虽然电子向左流动，但右端的电子密度无论如何也要比左端大，因此硅砖右端，也就是掺杂磷原子的部分，被标记为n区，也就是negative；左端空穴密集，也就是正电荷密集，自然成为p区也就是positive。这就是我们常说的p型半导体和n型半导体。

1.2内电场的形成

图1.2为内电场形成图。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

图1.2 内电场形成图

为阴离子。两种离子像两堵墙一样排列在p—n结的两侧，就像平行板电容器，电

场方向为从右向左。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

p-n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。通过对半导体材料两侧掺入施主和受住型原子,可以在半导体材料两侧形成过剩的电子载流体和空穴载流体,并在浓度梯度下发生互扩散,失去载流体的原子变成不能移动的反离子,在彼此之间形成与空穴扩散方向相反,电子扩散方向相同的内电场,使得载流子的扩散与电迁移达到平衡,形成p-n结。

名的名字，叫做内电场。如上所述，一块完整的p-n结便产生了[3]。它像一块长方形砖块，右端充满自由电子，因此叫n区，左端充满空穴，叫p区；中间部分，靠右些是一排不能动的磷离子，带正电荷，靠左些是一排不能动的硼离子，带负电荷，两堵墙组成的内电场，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，有内电场引起，叫做漂移电流drift。

2.p—n结的应用

2.1整流二极管

图2.1和2.2为p-n结的正偏和反偏示意图。正偏和反偏，都是在p—n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，反之为反偏。正偏时，外电压的方向刚好和内电场的方向相反，半导体的内电场的电压不到1v，很容易湮没在外电场强大电场之下，此时的p-n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

和内电场方向一致，帮助内电场筑起高墙，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p-n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。

2.2发光二极管

p-n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。通过对半导体材料两侧掺入施主和受住型原子,可以在半导体材料两侧形成过剩的电子载流体和空穴载流体,并在浓度梯度下发生互扩散,失去载流体的原子变成不能移动的反离子,在彼此之间形成与空穴扩散方向相反,电子扩散方向相同的内电场,使得载流子的扩散与电迁移达到平衡,形成p-n结。

发光二极管简称LED，由镓（Ga）与砷

（As），磷（P）的化合物制成的二极管，当电

子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用

来制成发光二极管。在电路和仪器中作为指示

灯，或者组成文字或数字显示。不同的半导体

材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电

子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放

出的能量越多，则发出的光的波长越短。磷砷

化镓二极管发红光， 磷化镓二极管发绿光，碳

化硅二极管发黄光。

图2.3 二极管结构图

2.3太阳能电池

图2.4 太阳能发电原理图

p-n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。通过对半导体材料两侧掺入施主和受住型原子,可以在半导体材料两侧形成过剩的电子载流体和空穴载流体,并在浓度梯度下发生互扩散,失去载流体的原子变成不能移动的反离子,在彼此之间形成与空穴扩散方向相反,电子扩散方向相同的内电场,使得载流子的扩散与电迁移达到平衡,形成p-n结。

如图2.4所示，当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透射，具有足够能量的光子可以在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激起，致使发作电子-空穴对。如果半导体内存在p-n结，则在p型和n型交界面两边形成内电场，界面层临近的电子和空穴在复合之前，将经由空间电荷的电场结果被相互分开[4]。电子驱向n区，空穴驱向p区，从而使得n区有过剩的电子，p区有过剩的空穴，在p-n结附近形成与内电场相反的光电场。光电场的一部分除抵消内电场外，还使p形层带正电和n型层带负电，在n区和p区之间的薄层产生所谓的光生伏特电动势，这样光能就以电子-空穴对的形式转变为电。若分别在p型层和n型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池原件，把他们串并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。

3.总结

通过对半导体材料两侧掺入 …… 此处隐藏：2030字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……