場效應(yīng)管PN結(jié)的形成和特性
眾所周知,導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體,稱之為半導(dǎo)體。它可分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體兩種。本征半導(dǎo)體就是純凈的半導(dǎo)體,不摻有任何雜質(zhì),它的導(dǎo)電能力很微弱。如果在本征半導(dǎo)體中摻人微量的其它物質(zhì)(元素),半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能會大大加強(qiáng),這就是雜質(zhì)半導(dǎo)體。
場效應(yīng)管PN結(jié)的形成和特性，加到半導(dǎo)體里的雜質(zhì)一般有兩種類型:一種是施主雜質(zhì)。把它加進(jìn)半導(dǎo)體后,半導(dǎo)體中會產(chǎn)生許多可以自由運(yùn)動的帶負(fù)電的電子(稱為多數(shù)載流子,此時整個半導(dǎo)體還是中性的,其正電部分不能運(yùn)動),如圖1-1(a)所示。
這類摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。另一種是受主雜質(zhì)。把它加進(jìn)半導(dǎo)體后,半導(dǎo)體中會產(chǎn)生許多可以自由運(yùn)動的帶正電的空穴(稱為多數(shù)載流子,同樣,整個半導(dǎo)體還是中性的,其負(fù)電荷處于東縛狀態(tài),不能自由運(yùn)動),如圖1-1(b)所示。這類摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。
場效應(yīng)管PN結(jié)的形成和特性，如果用工藝的方法,把一塊N型半導(dǎo)體和一塊P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起,這時,N型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子電子就要向P型半導(dǎo)體中滲透擴(kuò)散。我們把這種多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動所形成的電流叫做擴(kuò)散電流,其方向與正電荷運(yùn)動的方向相同,與負(fù)電荷運(yùn)動的方向相反。結(jié)果,在結(jié)合面,N型半導(dǎo)體薄層A因一部分電子擴(kuò)散到P區(qū)而帶有正電，如圖1-1(c)所示。
同樣,P型半導(dǎo)體薄層B因一部分空穴擴(kuò)散到N區(qū)而帶有負(fù)電，如圖1-1(d)所示。這樣，在N型和P型兩種不同類型半導(dǎo)體的交界面兩側(cè)就形成了帶電薄層A和B(其中A帶正電,B帶負(fù)電)。薄層A. B間便產(chǎn)生了一個電場,如圖1-2所示。
這個帶電的薄層A和B,就叫做PN結(jié),又叫做阻擋層。PN結(jié)形成后的電場方向是由N型區(qū)域指向P型區(qū)域的，它對P型區(qū)域的空穴(多數(shù)載流子)和N型區(qū)域的電子(多數(shù)載流子)的擴(kuò)散起阻礙作用。但是，熱運(yùn)動產(chǎn)生的少數(shù)載流子，在電場
的作用下，卻會越過PN結(jié)。該運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。由漂移運(yùn)動所形成的電流叫做漂移電流,其方向總是與擴(kuò)散電流方向相反。
P型和N型結(jié)合的起初，由于多數(shù)載流子的擴(kuò)散還不多，形成的電場還較小，它對擴(kuò)散的阻力也較小。因而擴(kuò)散運(yùn)動占主要地位。然而，隨著擴(kuò)散的不斷繼續(xù)，阻擋層越來越厚，電場也就不斷地增強(qiáng)，它對擴(kuò)散的阻力也就愈大，以致擴(kuò)散過去的多數(shù)載流子的數(shù)目減少。
與此同時，由于PN結(jié)形成的電場不斷增強(qiáng),電場所引起的漂移過PN結(jié)的少數(shù)載流子數(shù)目增加。發(fā)展到最后，由擴(kuò)散運(yùn)動穿過PN結(jié)的多數(shù)載流子與漂移運(yùn)動越過PN結(jié)的少數(shù)載流子相對平衡。這時，擴(kuò)散電流與漂移電流大小相等，方向相反，總電流為零，電場的大小就不再增加了,阻擋層的厚度也不再改變,載流子的運(yùn)動達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這就是PN結(jié)的動態(tài)平衡。
平時，PN結(jié)就處于這種動態(tài)平衡狀態(tài)。如果我們在PN結(jié)上外加一個電壓，那么PN結(jié)內(nèi)部將發(fā)生什么變化呢?
當(dāng)P型區(qū)域接到電池的正極，N型區(qū)域接到電池的負(fù)極時，漂移和擴(kuò)散的動態(tài)平衡被破壞,在PN結(jié)中流過的電流很大(這種接法稱為正向連接，也稱為PN結(jié)正向偏置)。這時，電池在PN結(jié)中所產(chǎn)生的電場的方向恰好與PN結(jié)原來存在的電場方向相反,而且外加電場比PN結(jié)電場強(qiáng)，如圖1-3(a)所示。
這兩個電場疊加后的電場是由P型區(qū)域指向N型區(qū)域的。因此，PN結(jié)中原先存在的電場被削弱了,阻擋層的厚度減小了。P型區(qū)域的擴(kuò)散空穴和N型區(qū)域的擴(kuò)散電子在這個外加電場的作用下，不斷地走向交界處，因而阻擋層的電阻大大降低，電流很容易通過。
隨著外加正向電壓的增大,PN結(jié)中外加電場的作用則變強(qiáng)，于是又進(jìn)一-步抵消和減弱了PN結(jié)中原先存在的阻止多數(shù)載流子擴(kuò)散的電場，所以正向電流將隨著外加正向電壓的增加而迅速上升。我們稱PN結(jié)這種特性為正向?qū)ㄌ匦浴?/div>
當(dāng)P型區(qū)域接電池負(fù)極，N型區(qū)域接電池正極時，在PN結(jié)中流過的電流很小(這種接法稱為反向連接,也稱為PN結(jié)反向偏置)。這時，外加電壓在PN結(jié)中所產(chǎn)生的電場方向是由N型區(qū)域指向P型區(qū)域,即與原先在PN結(jié)中存在的電場方向是一致的,如圖1-3(b)所示。這兩個電場疊加的結(jié)果,加強(qiáng)了電場阻止多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動。
此時,阻擋層的厚度比原來增大了,原來漂移和擴(kuò)散的動態(tài)平衡也被破壞了,漂移電流大于擴(kuò)散電流,正是這個電流造成了反向漏電流.但因漂移電流是少子漂移運(yùn)動形成的,漂移電流很小,即反向漏電流很小,一般為nA數(shù)量級。因此我們認(rèn)為PN結(jié)反向是不通的,我們稱PN結(jié)這種特性為反向截止特性。
綜上所述，PN結(jié)正向?qū)ǎ聪蚪刂埂N結(jié)的這種性質(zhì)叫做單向?qū)щ娦浴＠眠@個PN結(jié),我們便可引出各種功能特性的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管、場效應(yīng)管等。
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