模拟电路网络课件 第四节:PN结的形成

PN结的形成

一、PN结的形成

在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体的交界面附近就形成了PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。

在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内电子很多而空穴很少，而P型区内空穴很多电子很少，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。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。于是，有一些电子要从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子,N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，就是所谓的PN结。空间电荷区有时又称为耗尽区。扩散越强，空间电荷区越宽。

在出现了空间电荷区以后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区就形成了一个内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。显然，这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，它是阻止扩散的。

另一方面，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。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄。

当漂移运动和扩散运动相等时，PN结便处于动态平衡状态。

二、PN结的正向导电性

当PN结加上外加正向电压，即电源的正极接P区，负极接N区时，外加电场与PN结内电场方向相反。在这个外加电场作用下，PN结的平衡状态被打破，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，当N区电子进入PN结时，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，即耗尽区由厚变薄，由于这时耗尽区中载流子增加，因而电阻减小。势垒降低使P区和N区中能越过这个势垒的多数载流子大大增加，形成扩散电流。在这种情况下，由少数载流了形成的漂移电流，其方向与扩散电流相反，和正向电流比较，其数值很小，可忽略不计。这时PN结内的电流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。当外加电压稍有变化（如O.1V），便能引起电流的显著变化，因此电流是随外加电压急速上升的。 这时，正向的PN结表现为一个很小的电阻。

三、PN结的反向导电性

当PN结外加反向电压，即电源的正极接N区，负极接P区。外加电场方向与PN结内电场方向相同，PN结处于反向偏置。在反向电压的作用下，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，PN结的内电场加强。这一结果，一方面使P区和N区中的多数载流子就很难越过势垒，扩散电流趋近于零。另一方面，由于内电场的加强，使得N区和P区中的少数载流子更容易产生漂移运动。这样，流过PN结的电流由起支配地位的漂移电流所决定。漂移电流表现在外电路上有一个流入N区的反向电流IR。由于少数载流子是由本征激发产生的，其浓度很小，所以IR是很微弱的，一般为微安数量级。当管子制成后，IR数值决定于温度，而几乎与外加电压无关。IR受温度的影响较大，在某些实际应用中，还必须予以考虑。

PN结在反向偏置时，IR很小，PN结呈现一个很大的电阻，可认为它基本是不导电的。

四、PN结的伏安特性

PN结的伏安特性（外特性）如图所示，它直观形象地表示了PN结的单向导电性。

伏安特性的表达式

式中

iD——通过PN结的电流

vD——PN结两端的外加电压

VT——温度的电压当量，VT = kT/q = T/11600 = 0.026V，其中k为波耳兹曼常数（1.38×10–23J/K），T为热力学温度，即绝对温度（300K），q为电子电荷（1.6×10–19C）。在常温下，VT ≈26mV。

e——自然对数的底

Is——反向饱和电流，对于分立器件，其典型值为108~1014A的范围内。集成电路中二极管PN结，其Is值则更小.

当vD>>0，且vD＞VT时， ；

当vD＜0，且 时，iD≈–IS≈0。

由此可看出PN结的单向导电性。

五、PN结的反向击穿特性

反向伏安性

当PN结外加反相电压|vD|小于击穿电压（VBR）时，iD≈–IS。IS很小且随温度变化。当反向电压的绝对值达到|VBR|后，反向电流会突然增大，此时PN结处于“反向击穿”状态。发生反向击穿时，在反向电流很大的变化范围内，PN结两端电压几乎不变。

反向击穿分为电击穿和热击穿，电击穿包括雪崩击穿和齐纳击穿。PN结热击穿后电流很大，电压又很高，消耗在结上的功率很大，容易使PN结发热，把PN结烧毁。热击穿是不可逆的。

雪崩击穿

当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着增强。这样，通过空间电荷区的电子和空穴，就会在电场作用下获得的能量增大，在晶体中运动的电子和空六将不断地与晶体原子又发生碰撞，当电子和空穴的能量足够大时，通过这样的碰撞的可使共价键中的电子激发形成自由电子–空穴对。新产生的电子和空穴也向相反的方向运动，重新获得能量，又可通过碰撞，再产生电子–空穴对，这就是载流子的倍增效应。当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样，载流子增加得多而快，这样，反向电流剧增， PN结就发生雪崩击穿。   

齐纳击穿

在加有较高的反向电压下，PN结空间电荷区中存一个强电场，它能够破坏共价键，将束缚电子分离出来产生电子–空穴对，形成较大的反向电流。发生齐纳击穿需要的电场强度约为2×105V/cm，这只有在杂质浓度特别大的PN结中才能达到。因为杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度（即杂质离子）也大，因而空间电荷区很窄，电场强度可能很高。

六、PN结的势垒电容

在一定条件下，PN结显现出充放电的电容效应。不同的工作情况下的电容效应，分别用势垒电容和扩散电容于以描述。

势垒电容CB

势垒电容CB描述了PN结势垒区空间电荷随电压变化而产生的电容效应。PN结的空间电荷随外加电压的变化而变化，当外加电压升高时，N区的电子和P区空穴进入耗尽区，相当于电子和空穴分别向CB“充电”，如图(a)所示。当外加电压降低时，又有电子和空穴离开耗尽区，好像电子和空穴从CB放电，如图(b)所示。CB是非线性电容，电路上CB与结电阻并联。在PN结反偏时结电阻很大，CB的作用不能忽视，特别是在高频时，它对电路有较大的影响。

七、PN结的扩散电容

扩散电容CD

PN结正向导电时，多子扩散到对方区域后，在PN结边界上积累，并有一定的浓度分布。积累的电荷量随外加电压的变化而变化，当PN结正向电压加大时，正向电流随着加大，这就要求有更多的载流子积累起来以满足电流加大的要求；而当正向电压减小时，正向电流减小，积累在P区的电子或N区的空穴就要相对减小，这样，当外加电压变化时，有载流子的向PN结“充入”和“放出”。，PN结的扩散电容CD描述了积累在P区的电子或N区的空穴随外加电压的变化的电容效应。

CD是非线性电容，PN结正偏时，CD较大，反偏时载流子数目很少，因此反向时扩散电容数值很小。一般可以忽略。

八、PN结的高频等效电路

由于PN结结电容（CB和CD）的存在，使其在高频运用时，必须考虑结电容的影响。PN结高频等效电路如下图所示，图中r表示电阻，C为结电容，它包括势垒电容和扩散电容。C的大小除了与本身结构和工艺有关外，还与外加电压有关。当PN结处于正向偏置时，r为正向电阻，数值很小，而结电容较大（主要决定于扩散电容CD）。当PN结处于反向偏置时，r为反向电阻，其数值较大。结电容较小（主要决定于势垒电容CB）。