場效應管PN結的形成以及特性詳細解析

場效應管PN結的形成和特性

眾所周知,導電能力介于導體和絕緣體之間的物體,稱之為半導體。它可分為本征半導體和雜質半導體兩種。本征半導體就是純凈的半導體,不摻有任何雜質,它的導電能力很微弱。如果在本征半導體中摻人微量的其它物質(元素),半導體的導電性能會大大加強,這就是雜質半導體。

場效應管PN結的形成和特性，加到半導體里的雜質一般有兩種類型:一種是施主雜質。把它加進半導體后,半導體中會產生許多可以自由運動的帶負電的電子(稱為多數載流子,此時整個半導體還是中性的,其正電部分不能運動),如圖1-1(a)所示。

這類摻有施主雜質的半導體稱為N型半導體。另一種是受主雜質。把它加進半導體后,半導體中會產生許多可以自由運動的帶正電的空穴(稱為多數載流子,同樣,整個半導體還是中性的,其負電荷處于東縛狀態,不能自由運動),如圖1-1(b)所示。這類摻有受主雜質的半導體稱為P型半導體。

場效應管PN結的形成和特性，如果用工藝的方法,把一塊N型半導體和一塊P型半導體結合在一起,這時,N型半導體中的多數載流子電子就要向P型半導體中滲透擴散。我們把這種多數載流子擴散運動所形成的電流叫做擴散電流,其方向與正電荷運動的方向相同,與負電荷運動的方向相反。結果,在結合面,N型半導體薄層A因一部分電子擴散到P區而帶有正電，如圖1-1(c)所示。

同樣,P型半導體薄層B因一部分空穴擴散到N區而帶有負電，如圖1-1(d)所示。這樣，在N型和P型兩種不同類型半導體的交界面兩側就形成了帶電薄層A和B(其中A帶正電,B帶負電)。薄層A. B間便產生了一個電場,如圖1-2所示。

這個帶電的薄層A和B,就叫做PN結,又叫做阻擋層。PN結形成后的電場方向是由N型區域指向P型區域的，它對P型區域的空穴(多數載流子)和N型區域的電子(多數載流子)的擴散起阻礙作用。但是，熱運動產生的少數載流子，在電場

的作用下，卻會越過PN結。該運動稱為漂移運動。由漂移運動所形成的電流叫做漂移電流,其方向總是與擴散電流方向相反。

P型和N型結合的起初，由于多數載流子的擴散還不多，形成的電場還較小，它對擴散的阻力也較小。因而擴散運動占主要地位。然而，隨著擴散的不斷繼續，阻擋層越來越厚，電場也就不斷地增強，它對擴散的阻力也就愈大，以致擴散過去的多數載流子的數目減少。

與此同時，由于PN結形成的電場不斷增強,電場所引起的漂移過PN結的少數載流子數目增加。發展到最后，由擴散運動穿過PN結的多數載流子與漂移運動越過PN結的少數載流子相對平衡。這時，擴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,載流子的運動達到相對穩定的狀態，這就是PN結的動態平衡。

平時，PN結就處于這種動態平衡狀態。如果我們在PN結上外加一個電壓，那么PN結內部將發生什么變化呢?

當P型區域接到電池的正極，N型區域接到電池的負極時，漂移和擴散的動態平衡被破壞,在PN結中流過的電流很大(這種接法稱為正向連接，也稱為PN結正向偏置)。這時，電池在PN結中所產生的電場的方向恰好與PN結原來存在的電場方向相反,而且外加電場比PN結電場強，如圖1-3(a)所示。

這兩個電場疊加后的電場是由P型區域指向N型區域的。因此，PN結中原先存在的電場被削弱了,阻擋層的厚度減小了。P型區域的擴散空穴和N型區域的擴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結中外加電場的作用則變強，于是又進一-步抵消和減弱了PN結中原先存在的阻止多數載流子擴散的電場，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結這種特性為正向導通特性。

當P型區域接電池負極，N型區域接電池正極時，在PN結中流過的電流很小(這種接法稱為反向連接,也稱為PN結反向偏置)。這時，外加電壓在PN結中所產生的電場方向是由N型區域指向P型區域,即與原先在PN結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果,加強了電場阻止多數載流子的擴散運動。

此時,阻擋層的厚度比原來增大了,原來漂移和擴散的動態平衡也被破壞了,漂移電流大于擴散電流,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動形成的,漂移電流很小,即反向漏電流很小,一般為nA數量級。因此我們認為PN結反向是不通的,我們稱PN結這種特性為反向截止特性。

綜上所述，PN結正向導通，反向截止。PN結的這種性質叫做單向導電性。利用這個PN結,我們便可引出各種功能特性的半導體器件，如二極管、三極管、場效應管等。

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