PN节动图

本文详细解析了PN结的工作原理,包括空穴与电子的角色、正反向偏置下的行为特征,以及如何形成阻挡层等内容。

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1.空穴和电子

动画中空穴的,电子的其实我一直对空穴这个概念很抵触,因为从这个动画上来看空穴是不动的。但讲PN结、三极管的时候都会把空穴当成运动的载流子,虽然似乎也不是很难理解。



P型半导体空穴多,容易吸引电子但原子核电荷不够,会形成负电荷。

N型半导体电子多,电子容易逃跑且原子核电荷太多,会形成正电荷。



 2.PN结

P(Positive)型半导体和N(Negative)型半导体构成PN结以后,会扩散出一个内电场,也叫PN结、阻挡层、耗尽层、空间电荷区。



电子受到电场力作用会漂移向N级,但N级电子太多,还是会向P级扩散。两种运动形成了动态平衡,当然,不一定会像下面这个动画一样形成稳定的环形电流。



3.正向偏置

电源正极接P,负极接N,电荷会重新分布



因为载流子多而且PN结窄,所以会形成比较大的电流。



4.反向偏置

电源正极接N,负极接P,电荷也会重新分布



因为载流子少而且PN结太宽,所以电流会很小。



百度里面倒是有不少PN结的视频,应该都是几年前的了,以前讲课也用过,但还是想做出属于我自己的动画。


我这次用的教材是董毅的,应该4节课能讲完第8章。另外还参考了以前用过的三本。

03-25
### PN半导体原理概述 PN是一种基本的半导体构,在现代电子器件中起着至关重要的作用。以下是关于PN及其工作原理的关键概念: #### 杂质半导体的基础 在纯净的本征半导体中,其导电性能较低。通过向其中掺入特定类型的杂质原子,可以显著提高其导电能力。这种经过掺杂处理后的半导体被称为杂质半导体[^2]。根据所掺入的杂质类型不同,杂质半导体可分为两种主要形式:N型半导体和P型半导体。 - **N型半导体**:通过掺入五价元素(如磷),额外提供了自由电子作为载流子,因此N型半导体的主要载流子是电子。 - **P型半导体**:通过掺入三价元素(如硼),形成了空穴作为主要载流子,从而增强了导电性。 #### PN的形成过程 当一块半导体的一侧被掺杂成P型而另一侧被掺杂成N型时,这两种区域之间的交界处即构成了PN[^3]。由于两侧载流子浓度的不同,电子会从高浓度的N区扩散至低浓度的P区,同时空穴也会从P区扩散到N区。这一过程中,N区失去了部分电子变得带正电荷,而P区获得了多余电子则带有负电荷。由此产生了空间电荷区以及相应的内建电场,该电场的方向是从N指向P[^4]。 #### 能带弯曲与热平衡状态下的费米能级一致化 为了达到整个系统的热力学稳定态,在同一块材料内部必须维持统一的费米能级。这意味着尽管初始状态下P型和N型半导体各自拥有不同的费米能级位置,但在形成PN之后,它们需要调整各自的能带来实现全局范围内的费米面一致性[^1]。具体表现为靠近界面附近的能带发生倾斜变化,直至满足上述条件为止。 #### 扩散电流与漂移电流相互抵消机制 一旦建立起稳定的内建势垒电压后,进一步自然发生的净粒子流就会停止下来。此时存在两股方向相反但大小相等的微观电流成分——由多数载流子主导跨越边界运产生的扩散电流;还有因受到静电场力驱反向迁移形成的少数载流子参与构成的漂移电流。这两者之间达成态均衡关系,最终使得宏观上观察不到任何净电流流通现象除非施加外部偏置电压打破原有平衡状况。 ```python # Python模拟简单二极管特性曲线绘制示例程序片段 import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt def diode_current(V, Is=1e-12, n=1, T=300): q = 1.6e-19 # Electron charge (Coulombs) kT_q = (8.617e-5 * T) / q # Thermal voltage at given temp. return Is * (np.exp(q*V/(n*kT_q)) - 1) voltage_range = np.linspace(-1, 1, 500) currents = diode_current(voltage_range) plt.figure(figsize=(8,6)) plt.plot(voltage_range, currents, label="Diode I-V Curve", color='blue') plt.title('Ideal Diode Current vs Voltage', fontsize=16) plt.xlabel('Voltage Across Diode (Volts)', fontsize=14) plt.ylabel('Current Through Diode (Amps)', fontsize=14) plt.grid(True); plt.legend(); plt.show() ```
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