電路分析:半導體和PN結

光電科學史 發佈 2020-01-02T07:08:00+00:00

1.從半導體說起固體按照導電性能可以分三種:導體,絕緣體和半導體。導體和絕緣體在日常生活中很常見,半導體在電子元器件方面舉足輕重。

關於半導體的工作原理。

1.從半導體說起

固體按照導電性能可以分三種:導體,絕緣體和半導體。導體和絕緣體在日常生活中很常見,半導體在電子元器件方面舉足輕重。他們的區別在哪裡?我們知道物質能不能導電取決於其中的導電介質能否自由移動,而這取決於物質的原子之間的結合方式。一般原子最外層的電子決定了原子間的組合方式。

能量帶理論可以解釋三種不同導電介質的差異。能量帶理論表示,自由電子由於不受原子核的束縛,能量很高,它所處的能量範圍叫做導帶(Conduction Band);最外層電子被束縛在原子核或者分子周圍,能量相較於自由電子更低,它所處的能量範圍叫做價帶(Valence Band)。如果最外層電子要成為自由電子,需要給它加點能量。下面的圖表示了三種物質的導帶和價帶的分布。

可以看到導體的導帶和價帶幾乎重合,所以最外層電子就是自由電子;絕緣體的兩帶之間的間隙較大,需要很高的能量才能激發最外層電子,脫離原子核或分子的束縛成為自由電子;半導體的價帶和導帶之間的間隙較小,在一定的溫度下,價電子就能激發成為自由電子。不過半導體內自由電子數一般少於導體,因此它的導電性能介於導體和絕緣體之間。

至於三種固體的導帶和價帶之間為什麼是這樣的分布關係,主要原因在於固體內部原子之間的結合方式以及結合緊密程度不同。金屬導體靠金屬鍵連接原子,半導體和絕緣體的原子一般通過共價鍵連接彼此。

2.半導體的特性

如之前所說,半導體的價帶和導帶的間隙並不大,價電子很容易被激發成為自由電子。實際上在室溫下,就有一部分電子被激發,半導體已經具有一定的導電能力。半導體的這種能帶分布特點來源於其特殊的晶體結構。人們發現,最外層有四個價電子的一族元素(C, Si, Ge等)能形成如下的晶體結構,這種結構賦予半導體特殊的導電特性(C除外,金剛石的價帶和導帶的能量差較大)。

拿矽元素來說,它的原子最外層有4個電子,叫做價電子。我們知道一個電子層需要湊夠8個電子(最內層2個)才能形成穩定的結構,所以這4個電子要和周圍的4個矽原子的4個價電子共享,形成4個共價鍵,將矽原子連接起來,形成晶體結構。

3.半導體的改造——PN結

可能你會想,半導體導電不如導體,說絕緣呢又不行,啥也不是。這個半吊子有啥用?純的半導體確實不好用,不過正是因為它中庸的特性,使得人們對它的改造成為了可能。

先來看矽晶體的原子間結構。如果表示在平面上,可以看到矽原子的4個價電子會和相鄰的矽原子的價電子配對,形成4個共價鍵。這四個共價鍵相對穩定,但是施加一定的能量也能讓一些價電子激發成為自由電子。電子被擊發後,在電子原來所處的位置上形成一個正電荷,稱為空穴(Hole)。通常情況下,這種激發比例較小。

為了讓半導體有用,人們使用摻雜(Doping)改變半導體的特性。所謂摻雜,就是將雜質物質融入到矽晶結構中,改變晶體結構。有兩種常用的摻雜方式: N型摻雜(N-type Doping)和P型摻雜(P-type Doping)。

如果將最外層有5個價電子的元素(比如磷P)混入矽晶中,因為矽原子能和其中的4個電子配對形成4個共價鍵,剩餘的一個電子由於沒有配對成為一個自由電子,可以在晶體內部移動。因為這種摻雜使得半導體內部有很多自由移動的電子,所以叫做N型摻雜(Negative)。

如果用最外層有3個價電子的元素(如硼B)混入矽晶中,由於缺少一個電子與矽原子配對,使得一個位置上出現一個電子的「空缺」(矽原子的電子被束縛在矽原子上,無法像磷元素的最外層電子那樣容易自由漂移),形成一個空穴。因為摻雜之後半導體內部出現帶很多帶正電荷的空穴,所以這種摻雜叫做P型摻雜(Positive)。

這兩種摻雜都會提升半導體的導電能力。N型摻雜形成N型半導體,多數載流子是自由電子;P型摻雜形成P型半導體,多數載流子是空穴。

如果我們將P型半導體和N型半導體連接在一起,會產生一個有意思的東西——PN結(PN Junction)。因為N型半導體內充滿有帶負電荷的自由電子,P型半導體內有帶正電荷的空穴,所以在兩者接觸的區域內,N型半導體內的電子會移動到P型半導體內與空穴結合。但是這種結合是有限度的:隨著電子從N到P的遷移,兩側會形成如下圖所示的電荷累積,電勢方向從右到左,阻止電子的繼續遷移。這個區域叫做耗盡層(Depletion Layer),也叫空間電荷區;累積起來的內電場電壓叫做死區電壓(Barrier Voltage。對矽來說死區電壓一般為0.6~0.7V)。

4.PN結的偏置和二極體

可能你還是想問,說了這麼多到底有什麼用?

我們來看將PN結接入電路,會有下面的兩種接法。電源正極接P端,負極接N端,稱為正向偏置(Forward Biased);電源負極接P端,正極接N端,稱為反向偏置(Reverse Biased)。

正向偏置的PN結,電源負極排斥N型半導體中的電子,驅趕電子往P型半導體中遷移;電源正極接P型半導體,使得P型半導體中的電子被抽走。這樣就形成了一個電子推送和抽離的良性循環,電路導通。因為外電場方向和內電場相反,如果外電場電壓高於死區電壓,電路就能導通。

而反向偏置的PN結,電源正極從N型半導體內吸收電子,但是N型半導體內的電子又不能從P型半導體中得到補充,所以電路無法導通。

可見,PN結實際上是一個單嚮導通電路!人們將具有這種特性的半導體原件叫做二極體(Diode)。二極體的特性用I-V關係很容易的就展示出來——正嚮導通,反向截止。

有一類特殊的二極體,在導通的過程中會發出光,這類二極體毫無意外地叫做發光二極體LED(Light Emitting Diode)。原理也很簡單,二極體導通的過程中N型半導體中的電子遷移到P型半導體中與空穴結合,結合過程是釋放能量的過程(與電子被激發成自由電子需要吸能的過程相反),釋放的能量通過發出光量子形成光。


關鍵字: