PN結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)以及整流作用

PN結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)以及整流作用

首先介紹作為半導(dǎo)體器件的PN結(jié)二極管(jucction diode)。這種器件是許多器件的基礎(chǔ)，因此非常重要，而且其對(duì)于理解能帶圖來說非常有用。

PN結(jié)二極管的構(gòu)造

圖 (ａ) 是PN結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)，N型半導(dǎo)體的基板上有P 型半導(dǎo)體的區(qū)域。為了簡化問題，使用如圖 (ｂ)所示的一維結(jié)構(gòu)的PN結(jié)二極管進(jìn)行說明。這是圖 (ａ) 中的A-A'部分截取區(qū)域?qū)?yīng)的結(jié)構(gòu)。而圖 (ｃ) 是PN結(jié)二極管的符號(hào)，并標(biāo)出了電流的流動(dòng)方向。

如下圖表示的是電流電壓特性，正電壓V被施加到二極管時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電流I，并且其大小會(huì)隨著電壓成指數(shù)函數(shù)形式增大、這也被稱為正向偏置(forward bias)1。相反，如果加上負(fù)的電壓，基本上無電流流動(dòng)，被稱為反向偏置(reverse bias)。

如果進(jìn)一步增大負(fù)的電壓，會(huì)導(dǎo)致二極管被擊穿，而使得電流非常大。本文不涉及這種現(xiàn)象。

整流作用

PN結(jié)二極管的主要作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

圖 (ａ) 所示是整流電路，像圖 (ｂ) 所展示的那樣，只有在輸入電壓Vin為正的時(shí)候，才會(huì)有電流I流動(dòng)，并使得負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生電壓降Vout，Vout=IRL在正的時(shí)候會(huì)有電流I流動(dòng)2，如果是負(fù)的，則不存在電流。這被稱為半波整流(half-wave rectification)。增加電容等器件3，可以使得Vout的波形進(jìn)一步平滑化，最終變成直流電。

能帶圖（ 接地時(shí)）

首先說明一下能帶圖。如下圖ａ所示，半導(dǎo)體的右側(cè)加-0.5V的電壓后會(huì)產(chǎn)生電場。能帶圖圖ｂ)雖然是向上傾斜的，只是由于電子獲得的能量而使得其變得像圖ｂ一樣右側(cè)被抬高0.5eV。由于漂移的關(guān)系，電子ｅ會(huì)向左運(yùn)動(dòng)，而空穴ｈ會(huì)向右移動(dòng)。勢能是一種位能，因此電子放出能量后，會(huì)朝Ec落下來。另一方面，空穴在放出能量后，會(huì)朝著Ev像泡泡一樣往上冒。

接合之前的能帶圖

讓我們考慮一下Ｎ區(qū)與Ｐ區(qū)在接合之前各自的能帶圖。下圖 (ａ) 是接合前的Ｎ區(qū)與Ｐ區(qū)，圖(ｂ) 是其各自的能帶圖。在這個(gè)例子中，讓濃度為1016cm-3的As摻雜形成的Ｎ區(qū)以及用濃度為1015cm-3的Ｂ?lián)诫s形成的Ｐ區(qū)進(jìn)行接合，形成二極管。

接合之后的能帶圖

接下來考慮一下接合后的狀態(tài)(處于不外加電壓時(shí)的熱平衡狀態(tài))。如下圖所示，首先電子和空穴會(huì)朝濃度較低的方向擴(kuò)散。電子會(huì)進(jìn)入Ｐ區(qū)，空穴會(huì)擴(kuò)散至Ｎ區(qū)，接合面附近會(huì)因?yàn)槌錆M了電子和空穴，以至于電子和空穴的乘積超過了熱平衡的ＰＮ積數(shù)值，即ni2。因此電子和空穴會(huì)復(fù)合，釋放出聲子(phonon)5或者光子(phonon)6。其結(jié)果是PN結(jié)附近的電子以及空穴會(huì)比摻雜濃度低，形成電子密度以及空穴密度可以忽略不計(jì)的耗盡層(depletion layer)。而耗盡層中存在電離的施主(As+) 以及受主(B-)。此時(shí)，會(huì)形成電場，而且其電場線是從As+出發(fā)指向B的。

接合瞬間會(huì)形成擴(kuò)散電流，只是這種擴(kuò)散電流沒多久就因?yàn)樵谏鲜鲭妶龅淖饔孟滦纬傻?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1485246.html">漂移電流而被平衡掉，也就是說這時(shí)的凈電流為０。

能帶圖對(duì)于理解PN結(jié)的工作原理非常有用，使用下圖來說明熱平衡狀態(tài)下的能帶圖畫法。

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撰 稿 人：張璐

責(zé)任編輯：李馨馨

審 核 人：時(shí)靜