半导体器件和技术/PN结

将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面上形成PN结。PN结具有单向导电性。

PN结的形成

• 扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。在P型半导体和N型半导体的交界面，两种载流子的浓度差很大。故P区的空穴向N区扩散，N区的自由电子向P区扩散。扩散到N区的空穴与N区的自由电子复合，扩散到P区的自由电子与P区的空穴复合，使得交界面附近的多子浓度下降。P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们不能移动，称为空间电荷区，形成方向由N区指向P区的内电场。随着扩散运动的进行，内电场增强，阻止扩散运动的进行。
• 漂移运动：载流子在电场力作用下的运动称为漂移运动。空间电荷区形成后，在内电场的作用下，自由电子向N区移动，空穴向P区移动。

在无外电场和其他激发作用下，参与扩散运动的多子数目与参与漂移运动的少子数目相等，达到动态平衡，形成PN结。此时，空间电荷区具有一定的宽度，电位差为$U_{\mathrm{h}\mathrm{o}}$，电流为零。空间电荷区内，正、负电荷的电量相等。因此，当P区与N区杂质浓度相等时，负离子区与正离子区的宽度也相等，称为对称结；而当两边杂质浓度不同时，浓度高的一侧的离子区宽度低于浓度低的一侧，称为不对称PN结：两种结的外部特性是相同的。

绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴都非常少，在分析PN结特性时常忽略载流子的作用，而只考虑离子区的电荷，这种方法称为“耗尽层近似”，故也称空间电荷区为耗尽层。

PN结的单向导电性

在PN结两端外加电压会破坏原有的平衡状态，PN结中会有电流流过。当外加电压极性不同时，PN结会呈现出截然不同的导电性能，即呈现出单向导电性。

正向电压

将电源的正极接到PN结的P端，将电源的负极接到PN结的N端，称PN结外加正向电压。此时外电场使空间电荷区变窄，削弱了内电场，使扩散运动加剧，漂移运动减弱。由于电源的作用，扩散运动将源源不断地进行，从而形成正向电流，PN结导通。PN结导通时的结压降只有零点几伏，因而应在它所在的回路中串联一个电阻，以限制回路的电流，防止PN结因正向电流过大而损坏。

反向电压

将电源的正极接到PN结的N端，将电源的负级接到PN结的P端，称PN结外加反向电压。此时外电场使空间电荷区变宽，加强了内电场，阻止扩散运动的进行，而加剧了漂移运动的进行，形成反向电流，也称为漂移电流。因为少子的数目极少，即使所有的少子都参与漂移运动，反向电流也非常小，所以在近似分析中常将它忽略不计，认为PN结外加反向电压时处于截止状态。

PN结的电流方程

PN结所加端电压

$u$

与流过它的电流

$i$

的关系为

$i=I_{\mathrm{s}}(e^{\frac{qu}{kT}}-1)$

其中

$I_{\mathrm{s}}$

为反向饱和电流，

$q$

为电子的电量，

$k$

为玻尔兹曼常数，

$T$

为热力学温度，将上式中的

$kT/q$

用

$U_{\mathrm{T}}$

取代，则得：

$i=I_{\mathrm{s}}(e^{\frac{u}{U_{\mathrm{T}}}}-1)$

常温下，即

$T=300\mathrm{K}$

时，

$U_{\mathrm{T}}\approx 26\mathrm{m}\mathrm{V}$

，称

$U_{\mathrm{T}}$

为温度的电压当量。

PN结的伏安特性

当PN结外加正向电压，且$u\gg U_{\mathrm{T}}$时，$i\approx I_{\mathrm{S}}{e}^{\frac{u}{U_{\mathrm{T}}}}$，即i随u按指数规律变化；当PN结外加反向电压，且$\left|u\right|\gg U_{\mathrm{T}}$时，$i\approx -I_{\mathrm{S}}$。PN结$i$与$u$的关系称为PN结的伏安特性。其中$u>0$的部分称为正向特性，$u<0$的部分称为反向特性。

当反向电压超过一定数值$U_{\mathrm{(}\mathrm{B}\mathrm{R}\mathrm{)}}$后，反向电流急剧增加，称之为反向击穿。