PN结及其电学原理：空间电荷区、内电场与电容效应

采用掺杂工艺将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。在外加电压时PN结会显示它的基本特性：单向导电性。

1.PN结的形成

物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。当把P型半导体和N型半导体制作在一起时，在它们的交界面，两种载流子的浓度差很大，因而P区的空穴必然向N区扩散，与此同时，N区的自由电子也必然向P区扩散，如图1.1.5所示。

图1.1.5　载流子的扩散

图1.1.5中P区标有负号的小圆图表示除空穴外的负离子，N区标有正号的小圆圈表示除自由电子外的正离子。由于扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，形成一个很薄的空间电荷区，这就是PN结，也称为耗尽区。如图1.1.6所示。

图1.1.6　PN结的形成

出现了空间电荷区以后，由于正负离子之间的相互作用，在空间电荷区中形成了一个电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区，称为内电场。这个内电场阻止载流子的扩散运动。在内电场作用下，少子产生漂移运动，空穴从N区向P区运动，自由电子从P区向N区运动。在无外电场和其他激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，达到动态平衡，PN结的宽度保持稳定。

2.PN结的单向导电性

如果在PN结的两端外加电压，将破坏原来的平衡状态，扩散电流不再等于漂移电流。当外加电压极性不同时，PN结表现出截然不同的导电性能，呈现单向导电性。

（1）PN结正偏。

当电源的正极接到PN结的P端，电源的负极接到PN结的N端时，称PN结外加正向电压，也称正向接法或正向偏置。如图1.1.7所示，此时外电场将多数载流子推向空间电荷区，使其变窄，削弱了内电场，破坏了原来的平衡，使扩散运动加剧，漂移运动减弱。当电源电压足够大，扩散运动将形成正向电流，使PN结导通。PN结导通时的结压降只有零点几伏，且呈现低阻状态，所以在它所在的回路中通常需要串联一个电阻，以限制回路的电流，防止PN结因正向电流过大而损坏。

图1.1.7　PN结加正向电压(www.xing528.com)

（2）PN结反偏。

当电源的正极接到PN结的N端，电源的负极接到PN结的P端时，称PN结外加反向电压，也称反向接法或反向偏置。如图1.1.8所示，外加电压形成的外电场方向与PN结内电场方向相同。在这种外电场的作用下，P区中的空穴和N区中的电子都将进一步离开PN结，使耗尽区厚度加宽，阻碍了多数载流子的扩散运动，促进了漂移运动。漂移电流的方向与扩散电流相反，在外电路上表现为一个由N区流入P区的反向电流IR。由于少数载流子的浓度很低，数量很少，所以IR是很微弱的，硅管一般为微安数量级。电流IR也称为反向饱和电流。由于IR很小，可认为此时PN结是不导电的，称为PN结截止。

总之，PN结加正向电压时，PN结导通；加反向电压时，PN结截止，这就是PN结的单向导电性。

图1.1.8　PN结加反向电压

（3）PN结的电容效应。

在一定条件，PN结具有电容效应。PN结的电容效应直接影响半导体器件的高频特性和开关特性。根据产生原因不同分为势垒电容Cb和扩散电容Cd。Cb与Cd一般都很小，结面积小的为1pF左右，结面积大的为几十至几百皮法。PN结对于低频信号往往会呈现出很大的容抗，其作用可忽略不计，但是在高频信号作用时，必须考虑PN结电容的影响。

3.PN结的伏安特性

现以硅结型二极管的PN结为例，来说明它的伏安特性。在硅二极管PN结的两端，施加正、反向电压时，通过管子的电流如图1.1.9所示。其中uD＞0的部分称为正向特性，uD＜0的部分称为反向特性。

图1.1.9　硅二极管PN结的伏安特性

根据半导体物理的理论分析，PN结所加端电压uD与流过它的电流iD的关系如下：

式中，iD为通过PN结的电流；uD为PN结两端的外加电压；IS为反向饱和电流，对于分立器件，IS的典型值为10-14～10-8A，对于集成电路中的二极管PN结则更小；UT为温度的电压当量，常温下即T=300 K时，UT≈26 mV。

由式（1.1.1）可知，当PN结外加正向电压，且uD＞＞UT时，，即iD随uD按指数规律变化；当PN结外加反向电压，且|uD|＞＞UT，时，iD≈-IS。