PN结的工作原理与特性

采取不同的掺杂工艺，将N型和P型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面附近会形成一个很薄的空间电荷区，称其为PN结。

1.PN结的形成

（1）多子的扩散运动

当半导体掺杂浓度分布不均匀，这时载流子便会从浓度高的区域向浓度低的区域运动。这种由于浓度差而引起的载流子的定向运动称为扩散运动。载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。当N型和P型半导体结合在一起时，交界面两侧有很大的载流子浓度差：N型区中自由电子浓度高，空穴浓度低；P型区中自由电子浓度低，而空穴浓度高。自由电子和空穴都要从浓度高处向浓度低处扩散，所以，N区的多子自由电子向P区扩散，与P区中的空穴复合，在N区一侧形成正离子薄层；而P区的多子空穴向N区扩散，与N区中的自由电子复合，在P区一侧形成负离子薄层。如图1-5所示，在P区和N区交界面两侧形成的不能移动的带电离子薄层称为空间电荷区。由于正、负电荷的互相作用，在空间电荷区中形成了一个电场，称为内电场。内电场的方向是由N区一侧指向P区。

图1-5 PN结

（2）少子的漂移运动

当空间电荷区形成后，在内电场作用下，少子产生漂移运动，即P区的少子自由电子向N区运动，给N区补充电子，使正离子减少；N区的少子空穴向P区运动，给P区补充空穴，使负离子减少。因此，少子漂移运动的作用是使空间电荷区变窄，内电场减弱，其作用正好与多子扩散运动相反。

（3）PN结形成

多子的扩散运动形成内电场，内电场方向与多子扩散的方向相反，因此它阻碍多子扩散运动的进行。在内电场的作用下，少数载流子产生漂移运动，使空间电荷区变窄，内电场减弱，从而利于扩散运动。所以，扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾。当载流子的漂移运动与扩散运动相当时，交界面处的正负离子数不再增加，空间电荷区宽度不再变化，达到动态平衡状态，则形成PN结。

由于内电场阻碍载流子的扩散，所以PN结又称为阻挡层。因空间电荷区内几乎没有载流子，载流子被“耗尽”了，因此，PN结又称为耗尽层。

2.PN结的单向导电性

（1）PN结加正向电压

PN结加正向电压是指将PN结的P区接电源正极，N区接电源负极。如图1-6所示，这也可称为PN结的正向偏置，简称PN结正偏。

PN结正偏时，外电场的方向刚好与PN结内电场的方向相反。在外加电场作用下，PN结内部扩散与漂移的平衡被打破，而且由于外电场的作用，P区的多数载流子空穴和N区的多数载流子电子都要向PN结移动。P区的多子空穴进入PN结后，与一部分负离子中和；同时，N区的多子自由电子进入PN结后，与一部分正离子中和。其结果是使空间电荷量减少，使PN结空间电荷区变窄，阻挡层的厚度变薄，内电场进一步被减弱。这样就有利于多子的扩散而不利于少子的漂移，所以扩散运动增强，而漂移运动减弱，于是当外电场增大到一定值以后，扩散电流显著增加，形成明显的正向电流，PN结导通。

（2）PN结加反向电压

PN结加正向电压是指将PN结的P区接电源的负极，N区接电源的正极。如图1-7所示，这也可称为PN结的反向偏置，简称PN结反偏。

图1-6 PN结加正向电压

图1-7 PN结加反向电压

PN结反偏时，外加电场与内电场方向相同，这将促使P区的多子空穴和N区的多子电子背离PN结移动。使空间电荷数量增加，使空间电荷区变宽，加强了内电场，扩散运动大大减弱，少子漂移运动增强并占优势，形成反向电流。通过PN结的反向电流将主要取决于少子漂移电流。常温下，掺杂半导体的少子浓度很低，所以反向电流远小于正向电流。温度一定时，少子浓度一定，PN结反向电流也几乎与外加反向电压的大小无关，所以又称为反向饱和电流，用I_S表示。当温度变化时，少子浓度改变，则反向饱和电流也随之变化。(www.xing528.com)

由于PN结的反向电流很小，所以PN结反向偏置时，PN结是截止的。

综上所述，可得出结论：PN结具有单向导电性。PN结正偏时，空间电荷区变窄，PN结导通；PN结反偏时，空间电荷区变宽，PN结截止。

3.PN结的伏安特性

PN结的伏安特性是指PN结两端的外加电压u与流过PN结的电流i之间的关系曲线。PN结的伏安特性关系可以用如下的肖克莱方程表示

i=I_S（e^u/UT-1） （1-1）

式中，u为PN结的外加电压，参考方向为P区正，N区负；i为流过PN结的电流，参考方向为P区指向N区；I_S是反向饱和电流，对于硅PN结，其典型值在10^-15～10^-13 A之间；U_T是温度的电压当量，，q为电子电荷量，q=1.6×10^-19C，k是玻耳兹曼常数，k=1.38×10^-23J/K，T是热力学温度，常温下，即T=300K时，U_T=26mV。

当PN结外加正向电压，且u＞＞U_T时，e^u/UT＞＞1，则i≈I_Se^u/UT，即正向电流随正向电压的增大按照自然指数规律迅速增大。当PN结外加反向电压，且|u|＞＞U_T时，e^u/UT＜＜1，则i≈-I_S，即PN结反偏时，反向电流i很小，近似等于反向饱和电流，几乎与反向电压的大小无关。u与i的关系曲线如图1-8所示，图中，u＞0的部分称为PN结正向特性，u＜0的部分称为PN结反向特性。

由式（1-1）可知，流过PN结的电流i与反向饱和电流I_S和温度的电压当量U_T有关。而I_S和U_T两者都是温度的函数。因此，PN结的伏安特性与温度有着密切关系。如图1-9所示，温度T₁高于温度T₂，温度升高时，PN结的伏安特性曲线第1象限曲线左移，第3象限曲线下移。当温度升高时，半导体内本征激发增强，少子数量增多，故反向饱和电流I_S数值增大。若流过PN结的电流i维持不变，PN结的正向压降随温度升高而减小。在温度为T₂时图中的击穿电压低于5V，随着温度的升高到T₁击穿电压降低，但是当开始时如果击穿电压高于5V，击穿电压可能会随着温度的升高而升高。

图1-8 PN结的伏安特性

图1-9 PN结的伏安特性与温度关系

当PN结的反偏电压超过一定数值U_BR时，共价键遭到破坏，产生电子-空穴对，反向电流急剧增加，这种现象称为PN结的反向击穿，U_BR称为反向击穿电压，如图1-8所示。击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。在渗杂浓度较高的情况下，空间电荷区很薄，不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，强电场将共价键中电子拉出来，产生大量的电子空穴对，从而使反向电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。在渗杂浓度较低的情况下，空间电荷区较宽，那么低的反向电压不会产生齐纳击穿。随着PN结反向电压增加，空间电荷区电场增强，使得少子漂移经过空间电荷区时获得足够大的能量，运动速度很大，碰撞其他共价键上电子，产生新的电子空穴对，新的载流子又被电场加速，再去撞击其他离子，又产生新的电子空穴对。这样形成连锁反应，像雪崩一样，少子数量突然增多，反向电流急剧增大，这种击穿称为雪崩击穿。

对于以上两种击穿，只要PN结不因电流过大产生过热而损坏，当外加电压降到低于击穿电压时，PN结的性能又恢复为击穿前的情况，这种击穿现象称为电击穿。电击穿过程是可逆的。若发生电击穿后，反向电流过大导致PN结温度升高，造成PN结过热而损坏，此时称为热击穿，这时PN结是不可恢复的，即永久性损坏了。

4.PN结的电容效应

PN结具有一定的电容效应，按产生的原因不同分为势垒电容和扩散电容。

（1）势垒电容

势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，空间电荷区里存储的电荷量随之变化，空间电荷区的宽度相应改变。这种现象和电容的充、放电过程相似，PN结的这种电容效应称为势垒电容。PN结的势垒电容是非线性电容，用C_B表示，它的大小与PN结的结面积成正比，与空间电荷区的宽度成反比。一般情况下，C_B为几皮法到一百皮法。

（2）扩散电容

扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧积累而形成的。因PN结正偏时，由N区向P区扩散电子，刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，在P区形成一定的多子浓度梯度，靠近空间电荷区交界面的地方浓度高，远离交界面的地方浓度低。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度。当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。PN结的这种电容效应称为扩散电容，扩散电容也是非线性电容，用C_D表示。理论分析表明，PN结的扩散电容C_D与PN结的正向电流成正比。

势垒电容C_B和扩散电容C_D的值一般都很小，结面积小的为1pF左右，结面积大的为几十到几百皮法。C_B和C_D之和称为PN结的结电容，记为C_J，即有C_J=C_B+C_D。PN结正向偏置时，结电容C_J以扩散电容C_D为主；反向偏置时，结电容C_J以势垒电容C_B为主。C_J对于低频信号呈现很大的容抗，其作用可忽略不计，只有在信号频率较高时才考虑结电容的影响。