PN結(jié)的形成與特性介紹

1、PN結(jié)的定義:在一塊本征半導體中，摻以不同的雜質(zhì)，使其一邊成為P型， 另一邊成為N型，在P區(qū)和N區(qū)的交界面處就形成了一個PN結(jié)。PN結(jié)的形成(1 )當卩型半導體和N型半導體結(jié)合在一起時，由于交界面處存在載流子濃度的差異，這樣電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴散。但是，電子和空穴都是帶電的，它們擴散的結(jié)果就使P區(qū)和N區(qū)中原來的電中性條件破壞了。P區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動的負離子，N區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動的正離子。這些不能移動的帶電粒子通常稱為空間電荷，它們集中在P區(qū)和N區(qū)交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，這就是我們所說的PN結(jié)，如圖 1所示。覺主負劇尹=©

2、 ©備暮兮FN常娜IM mi濃度差便載流子發(fā)生護險運動(2)在這個區(qū)域內(nèi)，多數(shù)載流子或已擴散到對方，或被對方擴散過來的多數(shù)載流子(到了本 區(qū)域后即成為少數(shù)載流子了 )復合掉了，即多數(shù)載流子被消耗盡了，所以又稱此區(qū)域為耗盡 層，它的電阻率很高，為高電阻區(qū)。(3 )P區(qū)一側(cè)呈現(xiàn)負電荷，N區(qū)一側(cè)呈現(xiàn)正電荷，因此空間電荷區(qū)出現(xiàn)了方向由N區(qū)指向P區(qū)的電場，由于這個電場是載流子擴散運動形成的，而不是外加電壓形成的， 故稱為內(nèi)電場，如圖2所示。5 0 0 ®3 O0 電遡內(nèi)電場圖2內(nèi)電場形成(4) 內(nèi)電場是由多子的擴散運動引起的，伴隨著它的建立將帶來兩種影響：一是內(nèi)電場將阻礙多子的擴散，

3、二是 P區(qū)和N區(qū)的少子一旦靠近 PN結(jié)，便在內(nèi)電場的作用下漂移到對 方，使空間電荷區(qū)變窄。(5) 因此，擴散運動使空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場增強，有利于少子的漂移而不利于多子的擴散；而漂移運動使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場減弱，有利于多子的擴散而不利于少子的漂移。當擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡時，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即PN結(jié)處于動態(tài)平衡°PN結(jié)的寬度一般為 0.5um。PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的電流為零。PN結(jié)在未加外加電壓時，擴散運動與漂移運動處于動態(tài)平衡，通過(1)外加正向電壓(正偏)當電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)時，稱為給pN結(jié)加正向電壓或正向偏置，如圖3所示。由于PN結(jié)是高阻區(qū)

4、，而 P區(qū)和N區(qū)的電阻很小，所以正向電壓幾乎全部加在PN結(jié)兩端。在PN結(jié)上產(chǎn)生一個外電場，其方向與內(nèi)電場相反，在它的推動下，N區(qū)的電子要向左邊擴散，并與原來空間電荷區(qū)的正離子中和，使空間電荷區(qū)變窄。同樣，P區(qū)的空穴也要向右邊擴散，并與原來空間電荷區(qū)的負離子中和，使空間電荷區(qū)變窄。結(jié)果使內(nèi)電場減弱，破壞了 PN結(jié)原有的動態(tài)平衡。于是擴散運動超過了漂移運動，擴散又繼續(xù)進行。與此同時，電源 不斷向P區(qū)補充正電荷，向 N區(qū)補充負電荷，結(jié)果在電路中形成了較大的正向電流IF。而且IF隨著正向電壓的增大而增大。匠向偏詈的旳結(jié)反向仍謹?shù)慕Y(jié)（2）外加反向電壓（反偏）當電源正極接N區(qū)、負極接P區(qū)時，稱為給PN結(jié)加

5、反向電壓或反向偏置。反向電壓產(chǎn)生 的外加電場的方向與內(nèi)電場的方向相同，使PN結(jié)內(nèi)電場加強，它把 P區(qū)的多子（空穴）和N區(qū)的多子（自由電子）從 PN結(jié)附近拉走，使 PN結(jié)進一步加寬，PN結(jié)的電阻增大， 打破了 PN結(jié)原來的平衡，在電場作用下的漂移運動大于擴散運動。這時通過PN結(jié)的電流,主要是少子形成的漂移電流，稱為反向電流IR。由于在常溫下，少數(shù)載流子的數(shù)量不多，故反向電流很小，而且當外加電壓在一定范圍內(nèi)變化時，它幾乎不隨外加電壓的變化而變化，因此反向電流又稱為反向飽和電流。當反向電流可以忽略時，就可認為PN結(jié)處于截止狀態(tài)。值得注意的是，由于本征激發(fā)隨溫度的升高而加劇，導致電子一空穴對增多，因而

6、反向電流將隨溫度的升高而成倍增長。反向電流是造成電路噪聲的主要原因之一，因此，在設計電路時，必須考慮溫度補償問題。綜上所述，PN結(jié)正偏時，正向電流較大，相當于 PN結(jié)導通，反偏時，反向電流很小，相 當于PN結(jié)截止。這就是 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。PN結(jié)的伏安特性伏安特性曲線：加在PN結(jié)兩端的電壓和流過二極管的電流之間的關(guān)系曲線稱為伏安特性曲線，如圖4所示。u>0的部分稱為正向特性，u<0的部分稱為反向特性。它直觀形象地表示 了 PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴７蔡匦缘谋磉_式b -1）式中iD通過PN結(jié)的電流 vD PN結(jié)兩端的外加電壓VT 溫度的電壓當量， VT=kT/q=T/11600=0.0

7、26V ，其中 k 為波耳茲曼常數(shù)(1.38 X10 E3J/K ) , T為熱力學溫度，即絕對溫度(300K ),q為電子電荷(1.6 X10 -9C )。 在常溫下，VT 26mV。e 自然對數(shù)的底Is 反向飽和電流，對于分立器件，其典型值為10-810-14A的范圍內(nèi)。集成電路中二極管 PN 結(jié)，其 Is 值則更小 .由此可看出 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?。PN 結(jié)的擊穿特性當 PN 結(jié)上加的反向電壓增大到一定數(shù)值時， 反向電流突然劇增， 這種現(xiàn)象稱為 PN 結(jié)的反 向擊穿。 PN 結(jié)出現(xiàn)擊穿時的反向電壓稱為反向擊穿電壓，用 VB 表示。反向擊穿可分為雪 崩擊穿和齊納擊穿兩類。( 1 )雪崩擊

8、穿當反向電壓較高時，結(jié)內(nèi)電場很強，使得在結(jié)內(nèi)作漂移運動的少數(shù)載流子獲得很大的動能。 當它與結(jié)內(nèi)原子發(fā)生直接碰撞時，將原子電離，產(chǎn)生新的 "電子一空穴對 "。這些新的 "電子 一空穴對 "，又被強電場加速再去碰撞其它原子，產(chǎn)生更多的"電子一空穴對 "。如此鏈鎖反應，使結(jié)內(nèi)載流子數(shù)目劇增，并在反向電壓作用下作漂移運動，形成很大的反向電流。這種擊穿稱為雪崩擊穿。顯然雪崩擊穿的物理本質(zhì)是碰撞電離。( 2 )齊納擊穿齊納擊穿通常發(fā)生在摻雜濃度很高的 PN 結(jié)內(nèi)。由于摻雜濃度很高， PN 結(jié)很窄，這樣即使 施加較小的反向電壓( 5V 以下)，結(jié)層

9、中的電場卻很強(可達左右)。在強電場作用下， 會強行促使 PN 結(jié)內(nèi)原子的價電子從共價鍵中拉出來，形成"電子一空穴對 "，從而產(chǎn)生大量的載流子。它們在反向電壓的作用下，形成很大的反向電流，出現(xiàn)了擊穿。顯然，齊納擊穿 的物理本質(zhì)是場致電離。采取適當?shù)膿诫s工藝，將硅PN結(jié)的雪崩擊穿電壓可控制在 81000V。而齊納擊穿電壓低于 5V。在58V之間兩種擊穿可能同時發(fā)生。PN 結(jié)的電容效應PN結(jié)具有一定的電容效應， 它由兩方面的因素決定。 一是勢壘電容 CB ,二是擴散電容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。當外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時， 離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結(jié)中存儲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 5。圖5勢壘電容示意圖擴散電容CD擴散電容是由多子擴散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴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