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，并標(biāo)出了電流的流動方向。

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，會產(chǎn)生電流I，并且其大小會隨著電壓成指數(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，被稱為反向偏置(reverse bias)。

如果進(jìn)一步增大負(fù)的電壓，會導(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為正的時候，才會有電流I流動，并使得負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生電壓降Vout，Vout=IRL在正的時候會有電流I流動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）

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會向左運動，而空穴ｈ會向右移動。勢能是一種位能，因此電子放出能量后，會朝Ec落下來。另一方面，空穴在放出能量后，會朝著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)(處于不外加電壓時的熱平衡狀態(tài))。如下圖所示，首先電子和空穴會朝濃度較低的方向擴(kuò)散。電子會進(jìn)入Ｐ區(qū)，空穴會擴(kuò)散至Ｎ區(qū)，接合面附近會因為充滿了電子和空穴，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比摻雜濃度低，形成電子密度以及空穴密度可以忽略不計的耗盡層(depletion layer)。而耗盡層中存在電離的施主(As+) 以及受主(B-)。此時，會形成電場，而且其電場線是從As+出發(fā)指向B的。

接合瞬間會形成擴(kuò)散電流，只是這種擴(kuò)散電流沒多久就因為在上述電場的作用下形成的漂移電流而被平衡掉，也就是說這時的凈電流為０。

能帶圖對于理解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：時靜