pn结是指由一种p型半导体和一种n型半导体交接而构成的结,是半导体器件的基本组成单元之一。它具有单向导电性质,即在正向偏置时具有很小的电阻,可以通过电流,而在反向偏置时则具有很大的电阻,几乎不传导电流。
由于pn结的单向导电性质,它被广泛应用于电子学领域,例如用于电源的电压稳定器、用于放大和开关的晶体管等。此外,在太阳能电池和发光二极管中也常常采用了pn结的结构。
在电路中,pn结的正向偏置和反向偏置都有重要的应用。
正向偏置:在pn结内加上正电压时,使p端电势高于n端电势,电子和空穴从n端向p端扩散运动,同时受到电场的作用向n端运动,由于p型半导体中的施主离子具有电子,提高了p半导体内电子的浓度,使它们可以向n-type运动,同时由于n型半导体中受主离子有空穴,提高了n半导体内空穴的浓度,使它们可以向p型半导体内运动。这样在pn结正向偏置时,p-n结区域内出现了较多的自由电子和空穴,更有利于电子和空穴的复合放出能量,使电压稳定器的电流可以稳定输出。
反向偏置:在pn结内加上反向偏置的电压时,使p端电势低于n端电势,电子和空穴遭受电场力与扩散力的作用,向p区和n区方向运动。因为pn结具有很大的阻值,接通偏置电源时,几乎没有电流流过,可以防止电路元件损坏。
pn结的制造方法主要有扩散法、插入法和外延法等多种方法,其中最常用的是扩散法。
扩散法:首先需要制造一块n型或p型掺杂的硅片,再在硅片表面加以掩膜,只让需要制作的部分裸露在外。然后将掺有适当掺杂元素的粉末或气体加热,使其扩散到硅片上裸露的部分,同时进行掺杂。当加热和扩散完成后,去掉掩膜,就会得到一个p-n结。这种方法简单可靠,成本较低,适合于制造小批量的元件。
插入法:首先制成一块n型硅片,然后将p型硅片插在n型硅片上,通过高温扩散使它们形成联系。这种方法生产出来的元件质量较高,但成本相对较高。
外延法:即在一块外部基片上生长出一个足够大的晶体,晶体内部由p-n结构形成。这种方法成本高,但成品质量优良。
在实际使用pn结时,需要注意以下几点:
(1)避免高温烧结:高温会对pn结的构造和性能产生不可逆的影响,因此需要在加热和制造过程中注意不要让温度过高。
(2)防止过大的反向电流:在实际使用中,反向电流不能过大,否则将对系统性能造成损害。
(3)避免机械损坏:由于pn结的结构较为脆弱,使用时需要注意避免机械损坏,否则可能会影响其工作性能。