PN結

在一塊本征半導體中，摻以不同的雜質，使其一邊成為Ｐ型，另一邊成為Ｎ型，在Ｐ區和Ｎ區的交界面處就形成了一個ＰＮ結。

ＰＮ結的形成
（1）當Ｐ型半導體和Ｎ型半導體結合在一起時，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，它們擴散的結果就使Ｐ區和Ｎ區中原來的電中性條件破壞了。Ｐ區一側因失去空穴而留下不能移動的負離子，Ｎ區一側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區和Ｎ區交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區，這就是我們所說的ＰＮ結，如圖1所示。

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（2）在這個區域內，多數載流子或已擴散到對方，或被對方擴散過來的多數載流子(到了本區域后即成為少數載流子了)復合掉了，即多數載流子被消耗盡了，所以又稱此區域為耗盡層，它的電阻率很高，為高電阻區。

（3）Ｐ區一側呈現負電荷，Ｎ區一側呈現正電荷，因此空間電荷區出現了方向由Ｎ區指向Ｐ區的電場，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，故稱為內電場，如圖2所示。

（4）內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：一是內電場將阻礙多子的擴散，二是P區和N區的少子一旦靠近PN結，便在內電場的作用下漂移到對方，使空間電荷區變窄。

（5）因此，擴散運動使空間電荷區加寬，內電場增強，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變窄，內電場減弱，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平衡時，交界面形成穩定的空間電荷區，即ＰＮ結處于動態平衡。ＰＮ結的寬度一般為0.5um。

ＰＮ結的單向導電性
PN結在未加外加電壓時，擴散運動與漂移運動處于動態平衡，通過PN結的電流為零。
（1）外加正向電壓（正偏）

當電源正極接P區，負極接N區時，稱為給pN結加正向電壓或正向偏置，如圖3所示。由于PN結是高阻區，而P區和N區的電阻很小，所以正向電壓幾乎全部加在PN結兩端。在PN結上產生一個外電場，其方向與內電場相反，在它的推動下，N區的電子要向左邊擴散，并與原來空間電荷區的正離子中和，使空間電荷區變窄。同樣，P區的空穴也要向右邊擴散，并與原來空間電荷區的負離子中和，使空間電荷區變窄。結果使內電場減弱，破壞了PN結原有的動態平衡。于是擴散運動超過了漂移運動，擴散又繼續進行。與此同時，電源不斷向P區補充正電荷，向N區補充負電荷，結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。

（2）外加反向電壓（反偏）

當電源正極接N區、負極接P區時，稱為給PN結加反向電壓或反向偏置。反向電壓產生的外加電場的方向與內電場的方向相同，使PN結內電場加強，它把P區的多子（空穴）和N區的多子（自由電子）從PN結附近拉走，使PN結進一步加寬，PN結的電阻增大，打破了PN結原來的平衡，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，少數載流子的數量不多，故反向電流很小，而且當外加電壓在一定范圍內變化時，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結處于截止狀態。值得注意的是，由于本征激發隨溫度的升高而加劇，導致電子一空穴對增多，因而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結正偏時，正向電流較大，相當于PN結導通，反偏時，反向電流很小，相當于PN結截止。這就是PN結的單向導電性。

PN結的伏安特性
伏安特性曲線：加在PN結兩端的電壓和流過二極管的電流之間的關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結的單向導電性。
式中 iD——通過PN結的電流

vD——PN結兩端的外加電壓

VT——溫度的電壓當量，VT = kT/q = T/11600 = 0.026V，其中k為波耳茲曼常數（1.38×10–23J/K），T為熱力學溫度，即絕對溫度（300K），q為電子電荷（1.6×10–19C）。在常溫下，VT ≈26mV。
e——自然對數的底

Is——反向飽和電流，對于分立器件，其典型值為10-8~10-14A的范圍內。集成電路中二極管PN結，其Is值則更小.
由此可看出PN結的單向導電性。

PN結的擊穿特性
當PN結上加的反向電壓增大到一定數值時，反向電流突然劇增，這種現象稱為PN結的反向擊穿。PN結出現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）雪崩擊穿

當反向電壓較高時，結內電場很強，使得在結內作漂移運動的少數載流子獲得很大的動能。當它與結內原子發生直接碰撞時，將原子電離，產生新的"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，產生更多的"電子一空穴對"。如此鏈鎖反應，使結內載流子數目劇增，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是碰撞電離。
（2）齊納擊穿

齊納擊穿通常發生在摻雜濃度很高的PN結內。由于摻雜濃度很高，PN結很窄，這樣即使施加較小的反向電壓（5V以下），結層中的電場卻很強（可達 左右）。在強電場作用下，會強行促使PN結內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，出現了擊穿。顯然，齊納擊穿的物理本質是場致電離。采取適當的摻雜工藝，將硅PN結的雪崩擊穿電壓可控制在8～1000V。而齊納擊穿電壓低于5V。在5～8V之間兩種擊穿可能同時發生。
PN結的電容效應
PN結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的離子薄層形成的。當外加電壓使PN結上壓降發生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結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。

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(2)擴散電容CD

擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區擴散到P區的電子，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 區內緊靠PN結的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。反之，由P區擴散到N區的空穴，在N區內也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴散電容的示意圖如圖01.10所示。

當外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結兩側堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。