单向导电性的5.2.1 pn结优化

1.正向偏压下，pn结势垒的变化和载流子的运动

处于热平衡状态的pn结，空间电荷区内载流子浓度很低，电阻很大；p型和n型电中性区的载流子浓度很高，电阻很小。因此，当给pn结施加正向电压（即电源正极接p区，负极接n区）时，外加偏压基本施加在势垒区。正向偏压在势垒区产生了与内建电场的方向相反的电场，所以削弱了势垒区的内建电场。因而，势垒区空间电荷相应减少，势垒区的宽度相应减小，同时势垒高度也从qV_bi降低至q（V_bi-V）^[9]。

处于热平衡状态的pn结，载流子的扩散电流J_diff与漂移电流J_drift完全相等，因而无净电流通过pn结。对pn结施加正向偏压后，势垒区电场强度减弱，漂移运动被削弱。此时，扩散运动强于漂移运动（J_diff＞J_drift），即产生了由电子从n区指向p区，空穴从p区指向n区的净扩散电流。由于此时是多子的注入，当pn结被施加正向偏压时，可以产生很大的正向电流J_F。

2.反向偏压下，pn结势垒的变化和载流子的运动

当pn结被施加反向电压时，即电源正极接n区，负极接p区时，反偏电压施加在势垒区的电场方向与内建电场的方向相同，势垒区的电场被增强，空间电荷区宽度增大，势垒高度由qV_bi增高至q（V_bi+V）。

当pn结被施加反向电压时，势垒区的电场被增强，载流子的漂移运动得到加强，使得漂移流大于扩散流（J_diff＜J_drift），产生了空穴从n区向p区以及电子从p区向n区的净漂移流。这时，少子不断地被抽取出来，因而其浓度比平衡情况下的少子浓度还要低。由于此时为少子的扩散运动，势垒区少子浓度已经很低，所以通过pn结的反向电流J_R很小。

综上，当pn结被施加正向偏压时，形成很大的正向扩散电流，pn结呈现低电阻状态，pn结导通；当pn结被施加反向偏压时，形成很小的少子反向扩散电流，pn结呈现高电阻状态，pn结截止^[2]。因此，pn结具有单向导电性。

3.外加电压下，pn结中的费米能级

在外加电压的情况下，pn结的n区和p区都有非平衡载流子注入。由于耗尽层几乎耗尽，电阻很大，而耗尽层之外的区域载流子浓度较高，电阻很小。当对pn结外加正向电压时，正向偏压基本全部作用在耗尽层（空间电荷区）。这时空间电荷区本身的平衡条件被打破。由于正向偏压削弱了空间电荷区的内建电场，使扩散电流大于漂移电流，产生了从n区向p区的电子净电流和从p区向n区的空穴净电流。这些非平衡电子和空穴分别在空间电荷区两侧边界聚集，并以扩散的方式分别向p区和n区运动。在它们扩散运动的同时，逐渐复合，直至完全消失。这个扩散过程发生在几个扩散长度的区域内。当外加偏压持续作用时，这个扩散过程也将稳定地持续下去。由于非平衡电子和空穴的出现，在这些扩散区域必须分别采用电子准费米能级Eⁿ_F和空穴准费米能级E^p_F来描述它们。(www.xing528.com)

正向偏压情况下，在空穴扩散区（n区），电子浓度高，且浓度的相对变化量很小。因此，该区域电子准费米能级Eⁿ_F可以看成不变。同时虽然该区域的空穴浓度很低，但是其相对浓度变化很大（准热平衡状态，少子浓度变化很大），因而空穴准费米能级E^p_F也变化很大。此时，对于空穴准费米能级E^p_F可以直观地描述为：从p区到耗尽层与n区边界，E^p_F不变，为直线，从耗尽层与n区边界到n区的这段扩散区，E^p_F逐渐向电子准费米能级Eⁿ_F靠近，最终相交，为斜线。

在电子扩散区（p区），空穴浓度高，且浓度的相对变化量很小。因此，该区域电子准费米能级E^p_F可以看成不变。同时，该区域电子浓度很低，但是其相对变化很大，因而电子准费米能级Eⁿ_F也变化很大。此时，对于电子准费米能级Eⁿ_F可以直观地描述为：从n区到耗尽层与p区边界，Eⁿ_F不变，为直线；从耗尽层与p区边界到p区的这段电子扩散区，Eⁿ_F逐渐向空穴准费米能级E^p_F靠近，最终相交，为斜线^[2]。当正向偏压为V_f时，n区的Eⁿ_F比p区的E^p_F高qV_f，完整pn结的Eⁿ_F和E^p_F分布曲线如图5.9所示。

图5.9 正向偏压情况下，pn结中的费米能级空间分布

对于反向偏压情况，反向偏压也基本全部作用在耗尽层。这时耗尽层本身的平衡条件被打破。由于反向偏压增强了空间电荷区的内建电场，使漂移电流大于扩散电流。这时，耗尽区两边界处的少数载流子被强电场扫入两边。具体而言，耗尽区与n区边界的空穴被扫入p区，同时n区内部的空穴又扩散到耗尽层边界，接着这些空穴又被扫入p区，最终这个过程到达稳定。通过这个过程，从耗尽层边界到n区附近的一段区域也形成了扩散区。在n区附近，空穴为少子，浓度很低，因而扩散电流很小。同样，耗尽区与p区边界的电子被扫入n区，同时p区内部的电子又扩散到耗尽层边界，接着这些电子又被扫入n区，最终此过程到达稳定。在p区附近，电子为少子，浓度也很低，因而扩散电流很小。在反向偏压情况下，少子不断被抽出，当反偏电压较大时，耗尽层边界处的少子浓度接近零。这时，如果再增加反偏电压，扩散电流不再增加^[2]。因此，在反向偏压下，通过pn结的电流很小，并且很快趋向饱和。

在反偏情况下，对于空穴准费米能级E^p_F可以直观地描述为：从p区到耗尽层与n区边界，E^p_F不变，为直线；从耗尽层与n区边界到n区的这段扩散区，E^p_F逐渐向电子准费米能级Eⁿ_F靠近，最终相交，为斜线。对于电子准费米能级Eⁿ_F可以直观地描述为：从n区到耗尽层与p区边界，Eⁿ_F不变，为直线；从耗尽层与p区边界到p区的这段电子扩散区，Eⁿ_F逐渐向空穴准费米能级E^p_F靠近，最终相交，为斜线。当反向偏压为V_f时，n区的Eⁿ_F比p区的E^p_F低qV_f，完整pn结的Eⁿ_F和E^p_F分布曲线如图5.10所示。

图5.10 反向偏压情况下，pn结中的费米能级空间分布