模擬電路網絡課件 第四節:PN結的形成

PN結的形成

一、PN結的形成

在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導體，另一邊形成P型半導體，那么在兩種半導體的交界面附近就形成了PN結。PN結是構成各種半導體器件的基礎。

在P型半導體和N型半導體結合后，由于N型區內電子很多而空穴很少，而P型區內空穴很多電子很少，在它們的交界處就出現了電子和空穴的濃度差別。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。于是，有一些電子要從N型區向P型區擴散，也有一些空穴要從P型區向N型區擴散。它們擴散的結果就使P區一邊失去空穴，留下了帶負電的雜質離子,N區一邊失去電子，留下了帶正電的雜質離子。半導體中的離子不能任意移動，因此不參與導電。這些不能移動的帶電粒子在P和N區交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區，就是所謂的PN結。空間電荷區有時又稱為耗盡區。擴散越強，空間電荷區越寬。

在出現了空間電荷區以后，由于正負電荷之間的相互作用，在空間電荷區就形成了一個內電場，其方向是從帶正電的N區指向帶負電的P區。顯然，這個電場的方向與載流子擴散運動的方向相反，它是阻止擴散的。

另一方面，這個電場將使N區的少數載流子空穴向P區漂移，使P區的少數載流子電子向N區漂移，漂移運動的方向正好與擴散運動的方向相反。從N區漂移到P區的空穴補充了原來交界面上P區所失去的空穴，從P區漂移到N區的電子補充了原來交界面上N區所失去的電子，這就使空間電荷減少，因此，漂移運動的結果是使空間電荷區變窄。

當漂移運動和擴散運動相等時，PN結便處于動態平衡狀態。

二、PN結的正向導電性

當PN結加上外加正向電壓，即電源的正極接P區，負極接N區時，外加電場與PN結內電場方向相反。在這個外加電場作用下，PN結的平衡狀態被打破，P區中的多數載流子空穴和N區中的多數載流子電子都要向PN結移動，當P區空穴進入PN結后，就要和原來的一部分負離子中和，使P區的空間電荷量減少。同樣，當N區電子進入PN結時，中和了部分正離子，使N區的空間電荷量減少，結果使PN結變窄，即耗盡區由厚變薄，由于這時耗盡區中載流子增加，因而電阻減小。勢壘降低使P區和N區中能越過這個勢壘的多數載流子大大增加，形成擴散電流。在這種情況下，由少數載流了形成的漂移電流，其方向與擴散電流相反，和正向電流比較，其數值很小，可忽略不計。這時PN結內的電流由起支配地位的擴散電流所決定。在外電路上形成一個流入P區的電流，稱為正向電流。當外加電壓稍有變化（如O.1V），便能引起電流的顯著變化，因此電流是隨外加電壓急速上升的。 這時，正向的PN結表現為一個很小的電阻。

三、PN結的反向導電性

當PN結外加反向電壓，即電源的正極接N區，負極接P區。外加電場方向與PN結內電場方向相同，PN結處于反向偏置。在反向電壓的作用下，P區中的空穴和N區中的電子都將進一步離開PN結，使耗盡區厚度加寬，PN結的內電場加強。這一結果，一方面使P區和N區中的多數載流子就很難越過勢壘，擴散電流趨近于零。另一方面，由于內電場的加強，使得N區和P區中的少數載流子更容易產生漂移運動。這樣，流過PN結的電流由起支配地位的漂移電流所決定。漂移電流表現在外電路上有一個流入N區的反向電流IR。由于少數載流子是由本征激發產生的，其濃度很小，所以IR是很微弱的，一般為微安數量級。當管子制成后，IR數值決定于溫度，而幾乎與外加電壓無關。IR受溫度的影響較大，在某些實際應用中，還必須予以考慮。

PN結在反向偏置時，IR很小，PN結呈現一個很大的電阻，可認為它基本是不導電的。

四、PN結的伏安特性

PN結的伏安特性（外特性）如圖所示，它直觀形象地表示了PN結的單向導電性。

伏安特性的表達式

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108~1014A的范圍內。集成電路中二極管PN結，其Is值則更小.

當vD>>0，且vD＞VT時， ；

當vD＜0，且 時，iD≈–IS≈0。

由此可看出PN結的單向導電性。

五、PN結的反向擊穿特性

反向伏安性

當PN結外加反相電壓|vD|小于擊穿電壓（VBR）時，iD≈–IS。IS很小且隨溫度變化。當反向電壓的絕對值達到|VBR|后，反向電流會突然增大，此時PN結處于“反向擊穿”狀態。發生反向擊穿時，在反向電流很大的變化范圍內，PN結兩端電壓幾乎不變。

反向擊穿分為電擊穿和熱擊穿，電擊穿包括雪崩擊穿和齊納擊穿。PN結熱擊穿后電流很大，電壓又很高，消耗在結上的功率很大，容易使PN結發熱，把PN結燒毀。熱擊穿是不可逆的。

雪崩擊穿

當PN結反向電壓增加時，空間電荷區中的電場隨著增強。這樣，通過空間電荷區的電子和空穴，就會在電場作用下獲得的能量增大，在晶體中運動的電子和空六將不斷地與晶體原子又發生碰撞，當電子和空穴的能量足夠大時，通過這樣的碰撞的可使共價鍵中的電子激發形成自由電子–空穴對。新產生的電子和空穴也向相反的方向運動，重新獲得能量，又可通過碰撞，再產生電子–空穴對，這就是載流子的倍增效應。當反向電壓增大到某一數值后，載流子的倍增情況就像在陡峻的積雪山坡上發生雪崩一樣，載流子增加得多而快，這樣，反向電流劇增， PN結就發生雪崩擊穿。???

齊納擊穿

在加有較高的反向電壓下，PN結空間電荷區中存一個強電場，它能夠破壞共價鍵，將束縛電子分離出來產生電子–空穴對，形成較大的反向電流。發生齊納擊穿需要的電場強度約為2×105V/cm，這只有在雜質濃度特別大的PN結中才能達到。因為雜質濃度大，空間電荷區內電荷密度（即雜質離子）也大，因而空間電荷區很窄，電場強度可能很高。

六、PN結的勢壘電容

在一定條件下，PN結顯現出充放電的電容效應。不同的工作情況下的電容效應，分別用勢壘電容和擴散電容于以描述。

勢壘電容CB

勢壘電容CB描述了PN結勢壘區空間電荷隨電壓變化而產生的電容效應。PN結的空間電荷隨外加電壓的變化而變化，當外加電壓升高時，N區的電子和P區空穴進入耗盡區，相當于電子和空穴分別向CB“充電”，如圖(a)所示。當外加電壓降低時，又有電子和空穴離開耗盡區，好像電子和空穴從CB放電，如圖(b)所示。CB是非線性電容，電路上CB與結電阻并聯。在PN結反偏時結電阻很大，CB的作用不能忽視，特別是在高頻時，它對電路有較大的影響。

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七、PN結的擴散電容

擴散電容CD

PN結正向導電時，多子擴散到對方區域后，在PN結邊界上積累，并有一定的濃度分布。積累的電荷量隨外加電壓的變化而變化，當PN結正向電壓加大時，正向電流隨著加大，這就要求有更多的載流子積累起來以滿足電流加大的要求；而當正向電壓減小時，正向電流減小，積累在P區的電子或N區的空穴就要相對減小，這樣，當外加電壓變化時，有載流子的向PN結“充入”和“放出”。，PN結的擴散電容CD描述了積累在P區的電子或N區的空穴隨外加電壓的變化的電容效應。

CD是非線性電容，PN結正偏時，CD較大，反偏時載流子數目很少，因此反向時擴散電容數值很小。一般可以忽略。

八、PN結的高頻等效電路

由于PN結結電容（CB和CD）的存在，使其在高頻運用時，必須考慮結電容的影響。PN結高頻等效電路如下圖所示，圖中r表示電阻，C為結電容，它包括勢壘電容和擴散電容。C的大小除了與本身結構和工藝有關外，還與外加電壓有關。當PN結處于正向偏置時，r為正向電阻，數值很小，而結電容較大（主要決定于擴散電容CD）。當PN結處于反向偏置時，r為反向電阻，其數值較大。結電容較小（主要決定于勢壘電容CB）。