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同学好
这节我们讲PN结
PN结当然非常重要
那么PN结是怎么形成的呢
假设我们有一个P型半导体
我们有一个N型半导体
假如这两个半导体
是同一个半导体
只是不同的掺杂
比如这里边掺杂了
二价或者三价的这个元素
这里边呢是掺杂了
五价六价的元素
那么它就变成了电子型的
这个变成了空穴型的
把它们俩接触
那会怎么样呢
你会发现空穴的浓度
明显高于这一侧 对吧
那么这个电子的浓度呢
明显高于另一侧
那么浓度不一样
当然就会发生扩散
扩散怎么样呢
由于本身它是电中性的
所以空穴跑到这儿来的结果
那这个地方呢就会产生
多余的正电荷
电子跑到这边的结果呢
就会产生多余的负电荷
那它们之间呢
就有一个电场
我们把它叫做内电场
由于这个内电场
就阻止了这个空穴
进一步从P型跑到N型
那么也阻止了这个电子
从这个N区跑到这个P区
那么另一方面
由于这个电场的结果
N区的这个电势
要比P区的这个电势高
也就是说
这两端它有一个电势差
那么中间就会有一个势垒区 对吧
那么由于这个电势差
能量就会有不同
因为电子是带负电的
所以说N区的这个电子
就比P区的这个电子
附加了一个能量
附加了一个负的能量 注意啊
由于附加了一个负的能量
当然能带就会发生变化
为什么呢
因为原来这个P区和N区
它们是同一种半导体
它们的能带基本是一样的
现在由于有了这个附加能量
N区的这个电子的能量呢
要降低一些
所以能带就有一个弯曲
这就是在PN结上出现的这个
能带结构
下面呢我们讨论
PN结的单向导电性
假如我现在在这个PN结两端
加上这样的一个电压
那么这个时候呢
外电压给提供的这个电场
和PN结里边的这个内电场
方向是相反的
我们说你这个时候就加上了
正向偏压
正向偏压是抵消减弱内电场
所以呢
由于这个内电场变弱了
当然P区的这个空穴
就可以向N区移动
那么N区的电子
可以向P区移动
这就形成了电流了
这个电流的这个量级
一般是毫安这个量级
假如我加的这个
外边的这个电压是相反的
是这样加上去的
那么外加的这个电场呢
和内电场它是同一个方向
这个时候我们说你加上了
反向偏压
反向偏压是加强这个内电场的
你本来这个空穴就跑不过来
电子也跑不过去
现在你电场反而加强了
就更跑不过去了
但是呢我们虽然说这是
P型半导体
这是N型半导体
可实践上这个P型半导体里边
它也有少量的电子
N型里边也有少量的空穴
那它们呢在这种电场作用下
它是可以自由流动的
可是这个载流子数目非常少
所以这个电流是非常弱的
我们把这种电流叫做漏电流
它的量级大概在μA这么大小
把这个电流和外加电压
这个图画出来的话
就是伏安特性图
那么你当然是
外加的这个正向偏压越大
电流就越大了
这个没什么问题
那么如果我加的反向偏压
大小对这个漏电流的大小影响不大
为什么呢
因为载流子数
漏电流的载流子数
是非常非常小的
所以你这个反向偏压加大加小
关系不大 电流都非常小
可是你超过了某一个值以后
那PN结击穿了
那击穿以后当然电流会急剧增加
那么这种PN结
对于这个正向偏压和
反向偏压的这种反应
其实就是单向导电特性
那么它可以用来做整流开关
这也是PN结
或者我们把它叫做二极管
二极管的一个重要特性
那么PN结还有其他的应用
比如说我们可以用它来做三极管
怎么做呢
就是PNP这样做
中间的这个N这个夹层
是非常非常薄的
然后呢
我在这个三个不同的区
连出来电极
那不是三个极嘛
这是三极管俗称
你也可以做成这种NPN
中间夹层也同样是很薄的
那么这个是巴丁这个人发现的
所以他因此获得了诺贝尔奖
巴丁这个人
后来还找另外两个学生
库伯和施里弗研究超导
那么他们揭示了超导的机理
提出了一个著名的BCS理论
他也因此获得了第二次
诺贝尔物理学奖
那么这个三极管呢
是非常重要的
它是放大电路中
非常非常重要的器件
任何一个电路课程
或者是教材里边
都会有不少篇幅描述这个三极管
由于时间关系呢
我们这个课程不讲这个
感兴趣的同学
去找相关的书籍去自学
或找相关的课程去学
我们要讲的一个例子是
半导体激光器
就是激光二极管
先讲一个同质结半导体激光器
那么这个同质结
我们用的是砷化镓
当然这里边砷化镓P型
和N型都是砷化镓
做的PN结
尺寸大小呢
当然就是这样
它比较小的
那么这里边呢
这里边还有解理面侧面中间那个
这是PN结的地方
然后你加上正向偏压的话
就会有激光发出来
那么这个原理是什么呢
我们简单利用这个
PN结的能带结构来分析一下
那么对于PN结来说
我们知道中间有个耗尽层
里边有内电场
内电场这个地方叫耗尽层
那么由于这两边的这个
电势有差别
所以有一个附加能量
所以我们前边说过了
PN结这个地方能带有一个弯曲
那N区呢
当然是有一个施主能级 对吧
施主能级
给这个空带提供电子
P区呢
它是有受主能级
那么受主能级上
因为电子激发到这个受主能级
所以它在里边就会有空穴
就是这么一个
前面我们讲过的
加上正向偏压以后
因为这个
外电场减弱了这个内电场
使得这个势垒高度降低了
也就是说
P区和N区的这个电势差变小了
那个附加的能量大小 变小了
所以这个能带的弯曲程度
也就减弱了
所以你看导带上的这些电子呢
有的部分就可以流到这个
PN结这个地方来
那么满带上的这个P区的
那个空穴呢
也可以跑到这个PN结这个地方
那么就在PN结这个区域呢
就形成了粒子数反转
能量高的地方有电子
能量低的地方有空穴
当这个电子
跃迁到这个能量低的这个状态
和空穴符合的时候
它就放出光 就这样
那这PN这个侧面呢
它是这个解理面
解理面就是自然晶面
或者你也可以做成抛光面
它的目的都是为了反光
假如说PN结里边有光出来的话
它在这个面上就会有反射
那么呢在PN结里边
就自然形成了一个谐振腔
那么谐振腔有了
你正向偏压加上以后呢
能量输入有了
粒子数反转也形成了
激光的条件都具备了
当然就可以发出激光
那么这样的激光呢
特点是体积很小了当然
能量消耗也很小
那么我们现在这个激光笔
这些东西
都是非常普遍的一个
在商店里边随便可以买
它其实就是激光二极管做的
下面我们讨论另一种
激光二极管
它是异质结P-I-N结
它这个效率比刚才那个
同质结的效率要高
它这是什么原理呢
是这样
这是P型半导体
这是N型半导体
这中间呢是本征半导体
可是它们是不一样的
中间这个是砷化镓
这个P型和N型
这个掺杂的这个半导体呢
它是砷化铝镓
你在这儿掺杂一些
比如说二价三价元素
它可能就变成了P型
你在这儿掺杂一些
五价六价这种元素
它可能就变成了N型
那么这有什么特点呢
那么砷化镓和砷化铝钾
它晶格常数差不多
可是呢 禁带宽度不同
折射系数也不同
所以如果我们把这个
能带画出来的话
它大致是这样
当然这N区它有一个施主能级
P区有受主能级
它们的能带宽度你看
它不太一样
就是中间的和两侧都不一样
中间这个本征半导体这个区
是非常非常薄的这个区域
你把它们
紧密地接触在一起的时候
当然类似于PN结的形成
也会一些扩散
然后里边也会出现内电场
然后呢P区和N区之间
也会有一个势能差
中间在这个本征半导体区域
也有一个势垒区域
那么由于这个势能差
附加了一个能量
所以说能带就会有一个弯曲
如果我加上一个正向偏压的话
那么这个时候呢
我的内电场就会被减弱了
这时候呢
内电场的减弱就导致了这个
势垒的高度有个降低
那附加的能量呢
也就减少了
这个弯曲程度也就减弱了
所以这个时候呢N区
这些电子就可以流到这个
本征这个区
那么P区的这个空穴呢
就可以流到这个本征区
那么在本征区
就形成了粒子数反转
高能量的地方有电子
低能量的地方呢有空穴
电子从这儿跃迁到下边
电子和空穴符合
不就发光了嘛
假如在这个表面呢
如果是解理面
或者是抛光面的话
那里边不就是形成了谐振腔嘛
你现在有能量输入
粒子数反转
再加上谐振腔
那么你这个自发辐射
就可以变成受激辐射
然后就有激光发出来 对吧
这样异质结的这个激光二极管
它的效率比
同质结的激光二极管要高
好 这节内容就讲到这儿
谢谢
-电荷和库仑定律
--引言
--电荷
--库仑定律
-WEEK1--电荷和库仑定律
-电场及叠加原理，电偶极子
--电场和电场强度
-WEEK1--电场及叠加原理，电偶极子
-高斯定律
--电通量
--立体角*
--高斯定律的证明*
--高斯定律和电场线
--高斯定律的应用
-WEEK1--高斯定律
-WEEK1--本周作业
-静电场环路定理、电势和叠加原理
--环路定理
--电势和叠加原理
--电势梯度
--等势面
-WEEK2--静电场环路定理、电势和叠加原理
-静电能
--电荷系静电能
-WEEK2--静电能
-导体静电平衡
--物质中电场
--导体静电平衡
-WEEK2--导体静电平衡
-WEEK2--本周作业
-导体周围电场
-WEEK3--导体周围电场
-静电屏蔽
--导体壳与静电屏蔽
-WEEK3--静电屏蔽
-电容及电容器
--电容及电容器
-WEEK3--电容及电容器
-电介质
--介质对电场的影响
-WEEK3--电介质
-极化强度矢量，极化电荷
--极化强度
--极化电荷
-WEEK3--极化强度矢量，极化电荷
-WEEK3--本周作业
-极化规律、电位移矢量
--电介质的极化规律
-WEEK4--极化规律、电位移矢量
-有介质时静电场能量
-WEEK4--有介质时静电场能量
-电流密度、稳恒电流和稳恒电场
--电流密度
-WEEK4--电流密度、稳恒电流和稳恒电场
-电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
--电动势
--欧姆定律
--欧姆定律（续）
-WEEK4--电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
-电流微观图像和暂态过程
--电流微观图像
-WEEK4--电流微观图像和暂态过程
-本周作业
--week4--本周作业
-洛仑兹力、磁感应强度
--电流磁效应
--磁场和磁感应强度
-WEEK5--洛仑兹力、磁感应强度
-毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
--毕-萨-拉定律
--磁场高斯定律
-WEEK5--毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
-静磁场环路定理
-WEEK5--静磁场环路定理
-安培力和霍尔效应
--霍尔效应
--安培力
-WEEK5--安培力和霍尔效应
-WEEK5--本周作业
-载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-WEEK6--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-磁介质对磁场的影响和原子磁矩
--磁场中的磁介质
--原子的磁矩
-WEEK6--磁介质对磁场的影响和原子磁矩
-磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
--磁介质的磁化
--磁化电流
-WEEK6--磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
-WEEK6--本周作业
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--磁场的界面关系
--铁磁性材料
-WEEK7--铁磁介质和简单磁路
-法拉第电磁感应定律
-WEEK7--法拉第电磁感应定律
-动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
--动生电动势
--涡电流
-WEEK7--动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
-自感和互感
--自感
--互感
-WEEK7--自感和互感
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--磁场的能量
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--麦克斯韦方程组
-WEEK8--位移电流和麦克斯韦方程组
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--电磁波
--坡印廷矢量
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-本周作业
--week8--本周作业
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--波动光学——引言
-WEEK9--波动光学—引言
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--迈克耳逊干涉仪
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