5.2 PN结

5.2  PN结

杂质半导体还不能直接用来制造半导体器件。在一块半导体晶体上，采用一定的掺杂工艺，使得一边形成P型区，另一边形成N型区，则在P区和N区的边界面上会形成一个PN结。PN结的单向导电性是人们用来制造各种半导体器件的基础。下面先来看看PN结的形成过程。

5.2.1  PN结的形成

如图5-6所示，一块硅晶体上一边形成了N区，另一边形成了P区。N区的自由电子浓度大大超过了P区的电子浓度，而P区的空穴浓度大大超过N区的空穴浓度，它们很容易由高浓度区向对方低浓度区扩散。P区的多子空穴扩散到N区与N区的自由电子复合，而N区的多子电子扩散到P区与P区的空穴复合，这种扩散和复合在靠近界面的地方更容易进行。所以P区靠近界面附近留下了一些失去空穴而带负电的杂质离子，N区靠近界面附近则留下了一些失去电子而带正电的杂质离子，这些正负离子就称为空间电荷。于是在交界面两侧就形成了一层很薄的正负离子层，叫做空间电荷区，也叫耗尽区或阻挡层。

（a）多数载流子的扩散运动                         （b）平衡时阻挡层形成

图5-6  PN结的形成

5.2.2  PN结的导电特性

1．PN结外加正向电压

若将电源的正极接P区，负极接Ｎ区，则称此为正向接法或正向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相反，削弱了自建场，使阻挡层变窄，如图5-7所示。 显然，扩散作用大于漂移作用，在电源作用下，多数载流子向对方区域扩散形成正向电流，其方向由电源正极通过P区、Ｎ区到达电源负极。

此时，PN结处于导通状态，它所呈现出的电阻为正向电阻，其阻值很小。正向电压愈大，正向电流愈大，两者是指数关系。

                                                      （5.2.1）

式中：I_D为流过PN结的电流；U为PN结两端电压。

                                                     （5.2.2）

称为温度电压当量，其中k为玻耳兹曼常数，Ｔ为绝对温度，q为电子的电量，在室温下即Ｔ=300Ｋ时，U_T=26ｍV；I_S为反向饱和电流。电路中的电阻R是为了限制正向电流的大小而接入的限流电阻。

图5-7  PN结外加正向电压

2．PN结外加反向电压

若将电源的正极接Ｎ区，负极接P区，则称此为反向接法或反向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相同，增强了自建场，使阻挡层变宽，如图5-8所示。此时漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场作用下作漂移运动，由于其电流方向与正向电压时相反，故称为反向电流。由于反向电流是由少数载流子所形成的，故反向电流很小，而且当外加反向电压超过零点几伏时，少数载流子基本全被电场拉过去形成漂移电流，此时反向电压再增加，载流子数也不会增加，因此反向电流也不会增加，故称为反向饱和电流，即I_D=-I_S。此时，PN结处于截止状态，呈现的电阻称为反向电阻，其阻值很大，高达几百千欧以上。

综上所述：PN结加正向电压，处于导通状态；加反向电压，处于截止状态，即PN结具有单向导电特性。将上述电流与电压的关系写成如下通式

                                            （5.2.3）

此方程称为伏安特性方程，如图5-9所示，该曲线称为伏安特性曲线。

图5-8  PN结外加反向电压

5.2.3  PN结的击穿

当反向电压足够高时，阻挡层内电场很强，少数载流子在结区内受强烈电场的加速作用，获得很大的能量，在运动中与其他原子发生碰撞时，有可能将价电子“打”出共价键，形成新的电子-空穴对。这些新的载流子与原先的载流子一道，在强电场作用下碰撞其他原子打出更多的电子-空穴对，如此链锁反应，使反向电流迅速增大。这种击穿称为雪崩击穿。所谓齐纳击穿，是指当PN结两边掺入高浓度的杂质时，其阻挡层宽度很小，即使外加反向电压不太高（一般为几伏），在PN结内可形成很强的电场（可达2×106V/cm），将共价键的价电子直接拉出来，产生电子-空穴对，使反向电流急剧增加，出现击穿现象。

对硅材料的PN结，击穿电压Ｕ_B大于7V时通常是雪崩击穿，小于4V时通常是齐纳击穿；Ｕ_B在4V和7V之间时两种击穿均有。由于击穿破坏了PN结的单向导电特性， 因而一般使用时应避免出现击穿现象。

发生击穿并不一定意味着PN结被损坏。当PN结反向击穿时，只要注意控制反向电流的数值（一般通过串接电阻R实现），不使其过大，以免因过热而烧坏PN结，当反向电压（绝对值）降低时，PN结的性能就可以恢复正常。稳压二极管正是利用了PN结的反向击穿特性来实现稳压的，当流过PN结的电流变化时，结电压保持Ｕ_B基本不变。

5.2.4  PN结的电容效应

按电容的定义：

                                                 （5.2.4）

即电压变化将引起电荷变化，从而反映出电容效应。而PN结两端加上电压，PN结内就有电荷的变化，说明PN结具有电容效应。

1．势垒电容C_T

势垒电容是由阻挡层内的空间电荷引起的。空间电荷区是由不能移动的正负杂质离子所形成的，均具有一定的电荷量，所以在PN结储存了一定的电荷，当外加电压使阻挡层变宽时，电荷量增加，如图5-10所示；反之，外加电压使阻挡层变窄时，电荷量减少。即阻挡层中的电荷量随外加电压的变化而改变，形成了电容效应，称为势垒电容，用C_T表示。理论推导

                                       （5.2.5）

2．扩散电容C_D