PN结的形成与特性介绍_王龙

2011年第26

期

1.PN 结的定义

P 型半导体是在本征半导体（一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体）掺入少量三价元素杂质，如硼等，因硼原子只有三个价电子，它与周围的硅原子形成共价键，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空位，当相邻共价键上的电子获得能量时就有可能填补这个空位，使硼原子成了不能移动的负离子，而原来的硅原子的共价键则因缺少一个电子，形成了空穴，但整个半导体仍呈中性。这种P 型半导体中以空穴导电为主，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。

N 型半导体形成的原理和P 型原理相似。在本征半导体中掺人五价原子，如磷等。掺人后，它与硅原子形成共价键，产生了自由电子。在N 型半导体中，电子为多数载流子，空穴为少数载流。

这样将P 型和N 型半导体相接触，就形成了一个PN 结。

2.P N 结的形成

（1）当P 型半导体和N 型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，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。但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使P 区和N 区中原来的电中性条件破坏了。P 区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N 区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在P 区和N 区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的PN 结。

（2）在这个区域内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子(到了本区域后即成为少数载流子了)复合掉了，即多数载流子被消耗尽了，所以又称此区域为耗尽层，它的电阻率很高，为高电阻区。

（3）P 区一侧呈现负电荷，N 区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由N 区指向P 区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场。

（4）内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是加快少子的漂移。

（5）因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即PN 结处于动态平衡。PN 结的宽度一般为0.5um 。

3.PN 结的单向导电性

PN 结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN 结的电流为零。

3.1外加正向电压（正偏）

当电源正极接P 区，负极接N 区时，称为给pN 结加正向电压或正向偏置。一般情况下,空间电荷区的电阻远高于电中性区的电阻,使得后一区域内的电压降与前者相比可以忽略，所以正向电压几乎全部加在PN 结两端。在PN 结上产生一个外电场，其方向与内电场相反，从而削弱了空间电荷区的宽度,（加图）.空间电荷区宽度减小,P （N ）区的多子空穴（电子）向N 区的扩散加强，P （N ）区的少子电子，受到内建电场力减少，漂移减弱，扩散运动超过漂移，从而破坏了PN 结原有的动态平衡，形成了较大的正向电流。

3.2外加反向电压（反偏）

当电源正极接N 区、负极接P 区时，称为给PN 结加反向电压或反向偏置。反向电压产生的外加电场的方向与内电场的方向相同，使PN 结内电场加强，它把P 区的多子（空穴）和N 区的多子（自由电子）从PN 结附近拉走，使PN 结进一步加宽，PN 结的电阻增大，打破了

PN 结原来的平衡，在电场作用下的漂移运动大于扩散运动。这时通过PN 结的电流，主要是少子形成的漂移电流，称为反向电流IR 。由于在常温下，少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而且当外加电压在一定范围内变化时，它几乎不随外加电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。当反向电流可以忽略时，就可认为PN 结处于截止状态。

综上所述，PN 结正偏时，正向电流较大，相当于PN 结导通，反偏时，反向电流很小，相当于PN 结截止。这就是PN 结的单向导电性。

4.PN 结的伏安特性

伏安特性曲线：加在PN 结两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线称为伏安特性曲线。u>0的部分称为正向特性，u<0的部分称为反向特性。它直观形象地表示了PN 结的单向导电性。

当正向偏压较小时，还不能使二级管导通。当正向偏压大于起始电压（硅管0.5V ，锗管0.2V ）时，二极管才开始导通，当电压在0.7V （硅管）或0.3V （锗管）时左右时，二极管完全导通。

当二极管加上反偏电压时，并没有完全截止，而是存在反向饱和电流，但电流很小，一般忽略不计。

5.PN 结的击穿特性

当PN 结上加的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然剧增，这种现象称为PN 结的反向击穿。PN 结出现击穿时的反向电压称为反向击穿电压，用VB 表示。反向击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿两类。

5.1雪崩击穿

当反向电压较高时，结内电场很强，使得在结内作漂移运动的少数载流子获得很大的动能。当它与结内原子发生直接碰撞时，将原子电离，产生新的"电子一空穴对"。这些新的"电子一空穴对"，又被强电场加速再去碰撞其它原子，产生更多的"电子一空穴对"。如此链锁反应，使结内载流子数目剧增，并在反向电压作用下作漂移运动，形成很大的反向电流。这种击穿称为雪崩击穿。显然雪崩击穿的物理本质是碰撞电离。

5.2齐纳击穿

齐纳击穿通常发生在掺杂浓度很高的PN 结内。由于掺杂浓度很高，PN 结很窄，这样即使施加较小的反向电压（5V 以下），结层中的电场却很强（可达左右）。在强电场作用下，会强行促使PN 结内原子的价电子从共价键中拉出来，形成"电子一空穴对"，从而产生大量的载流子。它们在反向电压的作用下，形成很大的反向电流，出现了击穿。显然，齐纳击穿的物理本质是场致电离。采取适当的掺杂工艺，将硅PN 结的雪崩击穿电压可控制在8～1000V 。而齐纳击穿电压低于5V 。在5～8V 之间两种击穿可能同时发生。

6.二极管的分类

二极管种类有很多按照所用的半导体材料，可分为锗二极管((^管和硅二极管管，根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安，适用于高频小电流电路,如收音机的检波等.面接触型二极管的PN 结，面积较大,允许通过较大的电流（几安到几十安，主要用于把交流电变换成直流电的"整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流,而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。科

【参考文献】

［1］康光华.模拟电子技术基础.高等教育出版社.

［2］孟庆巨，刘海波，孟庆辉.半导体器件物理.科学出版社.［3］郑应光.模拟电子线路.东南大学出版社.

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PN 结的形成与特性介绍

王龙崔福涛胡振涛

（中国矿业大学信电学院江苏徐州

221116）

【摘要】P 型半导体是在本征半导体（一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体）掺入少量三价元素杂质，如硼等，因硼原子只有三个价电子，它与周围的硅原子形成共价键，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空位，当相邻共价键上的电子获得能量时就有可能填补这个空位，使硼原子成了不能移动的负离子，而原来的硅原子的共价键则因缺少一个电子，形成了空穴，但整个半导体仍呈中性。这种P 型半导体中以空穴导电为主，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。

【关键词】半导体;PN 结

◇高教论述◇17