PN結(jié)

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴是positive的縮寫，N是negative的縮寫，表明正荷子與負(fù)荷子起作用的特點(diǎn)。 　　一塊單晶半導(dǎo)體中 ，一部分摻有受主雜質(zhì)是P型半導(dǎo)體，另一部分摻有施主雜質(zhì)是N型半導(dǎo)體時(shí) ，P 型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面附近的過渡區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)有同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)兩種。用同一種半導(dǎo)體材料制成的 PN 結(jié)叫同質(zhì)結(jié) ，由禁帶寬度不同的兩種半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)叫異質(zhì)結(jié)。制造PN結(jié)的方法有合金法、擴(kuò)散法、離子注入法和外延生長法等。制造異質(zhì)結(jié)通常采用外延生長法。 　　P型半導(dǎo)體（P指positive，帶正電的）：由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的三價(jià)元素組成，會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)部形成帶正電的空穴； N型半導(dǎo)體（N指negative，帶負(fù)電的）：由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的五價(jià)元素組成，會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)部形成帶負(fù)電的自由電子。 　　在 P 型半導(dǎo)體中有許多帶正電荷的空穴和帶負(fù)電荷的電離雜質(zhì)。在電場的作用下，空穴是可以移動(dòng)的，而電離雜質(zhì)（離子）是固定不動(dòng)的 。N 型半導(dǎo)體中有許多可動(dòng)的負(fù)電子和固定的正離子。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，在界面附近空穴從P型半導(dǎo)體向N型半導(dǎo)體擴(kuò)散，電子從N型半導(dǎo)體向P型半導(dǎo)體擴(kuò)散。空穴和電子相遇而復(fù)合，載流子消失。因此在界面附近的結(jié)區(qū)中有一段距離缺少載流子，卻有分布在空間的帶電的固定離子，稱為空間電荷區(qū) 。P 型半導(dǎo)體一邊的空間電荷是負(fù)離子 ，N 型半導(dǎo)體一邊的空間電荷是正離子。正負(fù)離子在界面附近產(chǎn)生電場，這電場阻止載流子進(jìn)一步擴(kuò)散 ，達(dá)到平衡。 　　在PN結(jié)上外加一電壓 ，如果P型一邊接正極 ，N型一邊接負(fù)極，電流便從P型一邊流向N型一邊，空穴和電子都向界面運(yùn)動(dòng)，使空間電荷區(qū)變窄，電流可以順利通過。如果N型一邊接外加電壓的正極，P型一邊接負(fù)極，則空穴和電子都向遠(yuǎn)離界面的方向運(yùn)動(dòng)，使空間電荷區(qū)變寬，電流不能流過。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?　　PN結(jié)加反向電壓時(shí) ，空間電荷區(qū)變寬 ， 區(qū)中電場增強(qiáng)。反向電壓增大到一定程度時(shí)，反向電流將突然增大。如果外電路不能限制電流，則電流會(huì)大到將PN結(jié)燒毀。反向電流突然增大時(shí)的電壓稱擊穿電壓。基本的擊穿機(jī)構(gòu)有兩種，即隧道擊穿（也叫齊納擊穿）和雪崩擊穿，前者擊穿電壓小于6V，有負(fù)的溫度系數(shù)，后者擊穿電壓大于6V，有正的溫度系數(shù)。 PN結(jié)加反向電壓時(shí)，空間電荷區(qū)中的正負(fù)電荷構(gòu)成一個(gè)電容性的器件。它的電容量隨外加電壓改變。 　　根據(jù)PN結(jié)的材料、摻雜分布、幾何結(jié)構(gòu)和偏置條件的不同，利用其基本特性可以制造多種功能的晶體二極管。如利用PN結(jié)單向?qū)щ娦钥梢灾谱髡鞫O管、檢波二極管和開關(guān)二極管，利用擊穿特性制作穩(wěn)壓二極管和雪崩二極管；利用高摻雜PN結(jié)隧道效應(yīng)制作隧道二極管；利用結(jié)電容隨外電壓變化效應(yīng)制作變?nèi)荻O管。使半導(dǎo)體的光電效應(yīng)與PN結(jié)相結(jié)合還可以制作多種光電器件。如利用前向偏置異質(zhì)結(jié)的載流子注入與復(fù)合可以制造半導(dǎo)體激光二極管與半導(dǎo)體發(fā)光二極管；利用光輻射對(duì)PN結(jié)反向電流的調(diào)制作用可以制成光電探測器；利用光生伏特效應(yīng)可制成太陽電池。此外，利用兩個(gè) 　　PN結(jié)之間的相互作用可以產(chǎn)生放大，振蕩等多種電子功能 。PN結(jié)是構(gòu)成雙極型晶體管和場效應(yīng)晶體管的核心，是現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)。在二級(jí)管中廣泛應(yīng)用。 　　PN結(jié)的平衡態(tài),是指PN結(jié)內(nèi)的溫度均勻、穩(wěn)定,沒有外加電場、外加磁場、光照和輻射等外界因素的作用,宏觀上達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài). 　　
 

PN結(jié)的形成

在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程: 　　因濃度差 　　　多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng);由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 　空間電荷區(qū)形成形成內(nèi)電場 　　　　內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散 　　最后，多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄層，這個(gè)離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場方向由N區(qū)指向P區(qū)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/h2>

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。 如果外加電壓使：PN結(jié)P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位稱為加正向電壓，簡稱正偏； 　　PN結(jié)P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位稱為加反向電壓，簡稱反偏。(1) PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況 　　PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況。外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是，內(nèi)電場對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。 PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況,如打不開點(diǎn)這兒（壓縮后的） 　　(2) PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況 　　PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖01.08所示。外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場。內(nèi)電場對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。 　　在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。 　　PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

PN結(jié)的電容效應(yīng)

PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。一是勢壘電容CB ，二是擴(kuò)散電容CD 。 　　(1) 勢壘電容CB 勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電容的示意圖見圖01.09。 　　圖01.09 勢壘電容示意圖 　　(2) 擴(kuò)散電容CD 　　擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴(kuò)散電容的示意圖如圖01.10所示。 　　當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。勢壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。

PN結(jié)的擊穿特性：

當(dāng)反向電壓增大到一定值時(shí)，PN結(jié)的反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增 加，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的擊穿，反向電流急劇增加時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓，如上圖所示， PN結(jié)的反向擊穿有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種。
 

1、雪崩擊穿　　

阻擋層中的載流子漂移速度隨內(nèi)部電場的增強(qiáng)而相應(yīng)加快到一定程度時(shí)，其動(dòng)能足以把束縛在共價(jià)鍵中的價(jià)電子碰撞出來，產(chǎn)生自由電 子—空穴對(duì)新產(chǎn)生的載流子在強(qiáng)電場作用下，再去碰撞其它中性原子，又產(chǎn)生新的自由電子—空穴對(duì)，如此連鎖反應(yīng)，使阻擋層中的載流子數(shù)量急 　　劇增加，象雪崩一樣。雪崩擊穿發(fā)生在摻雜濃度較低的PN結(jié)中，阻擋層寬，碰撞電離的機(jī)會(huì)較多，雪崩擊穿的擊穿電壓高。
 

2、齊納擊穿
 

當(dāng)PN結(jié)兩邊摻雜濃度很高時(shí)，阻擋層很薄，不易產(chǎn)生碰撞電離，但當(dāng)加不大的反向電壓時(shí)，阻擋層中的電場很強(qiáng)，足以把中性原子中的價(jià)電子直接從共價(jià)鍵中拉出來，產(chǎn)生新的自由電子—空穴對(duì)，這個(gè)過程 稱為場致激發(fā)。 　　一般擊穿電壓在6V以下是齊納擊穿，在6V以上是雪崩擊穿。
 

3、擊穿電壓的溫度特性
 

溫度升高后，晶格振動(dòng)加劇，致使載流子運(yùn)動(dòng)的平 均自由路程縮短，碰撞前動(dòng)能減小，必須加大反向電壓才能發(fā)生雪崩擊穿具有正的溫度系數(shù)，但溫度升高，共價(jià)鍵中的價(jià)電子能量狀態(tài)高，從而齊納擊穿電壓隨溫度升高而降低，具有負(fù)的溫度系數(shù)。6V左右兩種擊穿將會(huì)同時(shí)發(fā)生，擊穿 　　電壓的溫度系數(shù)趨于零。
 

4、穩(wěn)壓二極管
 

PN結(jié)一旦擊穿后，盡管反向電流急劇變化，但其端電壓幾 乎不變（近似為V(BR)，只要限制它的反向電流，PN結(jié) 就不會(huì)燒壞，利用這一特性可制成穩(wěn)壓二極管，其電路符號(hào)及伏 　　安特性如上圖所示：其主要參數(shù)有： VZ 、 Izmin 、 Iz 、 Izmax 　　電壓才能發(fā)生雪崩擊穿具有正的溫度系數(shù)，但溫度升高，共價(jià)鍵中的價(jià)電子能量狀態(tài)高，從而齊納擊穿電壓隨溫度升高而降 低，具有負(fù)的溫度系數(shù)。6V左右兩種擊穿將會(huì)同時(shí)發(fā)生，擊穿電壓的溫度系數(shù)趨于零。

PN結(jié)的電容特性：

PN結(jié)除具有非線性電阻特性外，還具有非線性電容特性，主要有勢壘電容和擴(kuò)散電容。
 

1、勢壘電容
 

勢壘區(qū)類似平板電容器，其交界兩側(cè)存儲(chǔ)著數(shù)值相等極性相反的離子電荷，電荷量隨外加電壓而變化，稱為勢壘電容，用CT表示。 　　CT = - dQ/dV 　　PN結(jié)有突變結(jié)和緩變結(jié)，現(xiàn)考慮突變結(jié)情況（緩變結(jié)參見《晶體管原 理》），PN結(jié)相當(dāng)于平板電容器，雖然外加電場會(huì)使勢壘區(qū)變寬或變窄 但這個(gè)變化比較小可以忽略， 　　則CT=εS/L，已知?jiǎng)討B(tài)平衡下阻擋層的寬度L0，代入上式可得： 　　CT不是恒值，而是隨V而變化，利用該特性可制作變?nèi)荻O管。
 

2、 擴(kuò)散電容
 

多子在擴(kuò)散過程中越過PN結(jié)成為另一方的少子， 當(dāng)PN結(jié)處于 平衡狀態(tài)（無外加電壓）時(shí)的少子稱為平衡少子 可以認(rèn)為阻擋層以外的區(qū)域內(nèi)平衡少子濃度各處是一樣的，當(dāng)PN結(jié)處于正向偏置時(shí)，N區(qū)的多子自由電子擴(kuò)散到P區(qū)成為 P區(qū)的非平衡少子，由于濃度差異還會(huì)向P 區(qū)深處擴(kuò)散，距交界面越遠(yuǎn)，非平衡少子濃度越低，其分布曲線見[PN 結(jié)的伏 安特性]。當(dāng)外加正向電壓增大時(shí)，濃度分布曲線上移，兩邊 非平 衡少子濃度增加即電荷量增加，為了維持電中性，中性區(qū)內(nèi)的非平衡多子濃度也相應(yīng)增加，這就是說，當(dāng)外加電壓增加時(shí)，P區(qū)和N區(qū)各自存儲(chǔ)的空穴和自由電子電荷量也增加，這種效應(yīng)相當(dāng)于在PN結(jié)上并聯(lián)一個(gè)電容，由于它是載流子擴(kuò)散引起的，故稱之為擴(kuò)散電容CD，由半導(dǎo)體物理推導(dǎo)得 CD=（ I + Is）τp/VT 推導(dǎo)過程參見《晶體管原理》。 　　當(dāng)外加反向電壓時(shí) I = Is ， CD趨于零。
 

3、 PN結(jié)電容
 

PN結(jié)的總電容Cj為CT和CD兩者之和Cj = CT+CD ，外加正向電 壓CD很大， Cj以擴(kuò)散電容為主（幾十pF到幾千pF） ，外加反向電壓CD趨于零，Cj以勢壘電容為主（幾pF到幾十pF到）。
 

4、變?nèi)荻O管
 

PN結(jié)反偏時(shí)，反向電流很小，近似開路，因此是一個(gè)主要由勢壘電容構(gòu)成的較理想的電容器件，且其增量電容值隨外加電壓而變化 利用該特性可制作變?nèi)荻O管，變?nèi)荻O管在非線性電路中應(yīng)用較廣泛， 如壓控振蕩器、頻率調(diào)制等。