PN结导电特性优化分析

在一块本征半导体上，通过掺杂使一侧形成N型半导体，另一侧形成P型半导体，则在两种半导体交界面上形成一个很薄的空间电荷区，叫作PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础，了解PN结的性质对掌握半导体器件的原理是非常重要的。

图2-4 载流子的扩散

1.PN结的形成

当P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差，这样，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。因此有一些电子要从N型区向P型区扩散，同时也有一些空穴要从P型区向N型区扩散，如图2-4所示。

扩散到P区的电子与空穴复合，扩散到N区的空穴与电子复合，随着扩散的进行，在交界面附近的P型区中空穴数大量减少，出现了带负电的离子区；而在N型区一侧因缺少电子，显露出带正电的离子区。半导体中的离子虽然也带电，但由于物质结构的关系，它们不能任意移动，因此并不参与导电。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们在交界面上形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结。在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此该电荷区又叫作耗尽层，如图2-5所示。

在出现了空间电荷区以后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区中就形成了一个电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区，由于这个电场是由载流子扩散运动即由内部形成的，故称为内电场。

图2-5 PN结的形成

PN结的内电场是阻止扩散的，因为这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，所以空间电荷区又可看作是一个阻挡层，它对多数载流子的扩散有阻挡作用。另一方面，我们根据电场的方向和电子空穴的带电极性还可以看出，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移。漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。而多数载流子扩散和少数载流子漂移达到动态平衡时，它们的作用大小相等、方向相反，相互抵消，外部宏观不呈现电流现象。

2.PN结的单向导电性

（1）外加正向电压 如图2-6所示，在PN结上外加正向电压U_F，即U_F的正端接P区，负端接N区，外加电场与PN结内电场方向相反。在外加电场的作用下，P区中的多数载流子空穴和N区中的多数载流子电子都要向PN结移动，当P区空穴进入PN结后，就要和原来的一部分负离子中和，使P区的空间电荷量减少。同样，N区的电子进入PN结后中和了部分正离子，使N区的空间电荷量减少，结果使PN结变窄，即阻挡层的厚度变薄，电阻减小。所以在这个方向的外加电压称为正向电压或正向偏置电压，简称正偏。这时多子的扩散运动将大于漂移运动，PN结内的电流便由起支配地位的扩散电流所决定，在外电路上形成一个流入P区的电流，称为正向电流I_F。当外加电压U_F升高，PN结电场便进一步减弱，扩散电流随之增加，在正常工作范围内，PN结上外加电压只要稍有变化，便能引起电流的显著变化。这样，正向的PN结表现为一个很小的电阻。

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图2-6 外加正向电压的PN结

在外加正向偏置电压下，有少数载流子形成的漂移电流，其方向与扩散电流相反，与正向电流比较，其数值很小，可忽略不计。

（2）外加反向电压 如图2-7所示，在PN结上外加反向电压U_R，即U_R的正端接N区，负端接P区，外加电场与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区中的电子都将离开PN结，使阻挡层厚度加宽，这时PN结处于反向偏置。这样P区和N区中的多数载流子就很难越过阻挡层，因此扩散电流趋近于零。但由于结电场的增加，使N区和P区中的少数载流子更容易产生漂移运动，PN结的电流就由起支配地位的漂移电流所决定。在外电路上就形成了一个流入N区的反向电流。但由于少数载流子的浓度很小，所以反向漂移电流很小，而且少数载流子是由本征激发产生的，当材料制成后，其数值取决于温度，在一定温度下，电压再高，其值也几乎不变，所以PN结在反向偏置时，可认为基本上是不导电的，表现为一个很大的电阻。

图2-7 外加反向电压的PN结

由此可见，PN结正向偏置时，正向电阻很小，形成较大的正向电流；PN结反向偏置时，呈现较大的反向电阻，反向电流很小，这就是PN结的单向导电性。PN结具有单向导电性的关键是它的阻挡层的存在及其随外加电压变化而变化。

3.PN结的击穿

当加于PN结的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然急剧增大，这种现象称为PN结的反向击穿。对应于电流开始剧增时的电压称为反向击穿电压。PN结击穿又称为电击穿，可分为“雪崩击穿”和“齐纳击穿”。

雪崩击穿是由于PN结内的少数载流子受强电场的加速作用而获得很大的能量，当它与结内原子碰撞时，把其中的价电子碰撞出来，产生新的电子-空穴对。新的电子-空穴对在强电场的作用下，再去碰撞其他的原子，产生更多的电子-空穴对，如同雪崩一样。雪崩击穿的本质是碰撞电离，发生在掺杂浓度较低、外加电压较高的情况下。

齐纳击穿发生在高浓度掺杂的PN结内。由于杂质浓度高，故形成的PN结很窄，即使外加反向电压不高（5V以下），结内电场也非常强，它可以把结内的束缚电子从共价键中拉出来引起反向电流的剧增。

发生以上两种电击穿时，当反向电压下降到击穿电压以下时，PN结的性能仍能恢复到原来的状态。但前提条件是：反向电流和反向电压的乘积不超过PN结允许的耗散功率，超过了就会因为热量散不出去而使PN结温度上升，直到过热而烧毁，这种现象就是热击穿。热击穿是不可恢复的，在应用中应尽量避免。电击穿则往往被人们所利用（如稳压管等）。