半導體基礎--PN結

介紹PN結以前先了解N型半導體和P型半導體：

N型半導體：在本徵半導體（很是純淨的半導體單晶 ）中摻入五價的元素（如磷），用一個五價元素的原子代替一個四價元素的原子在晶體中的位置。因爲摻入的五價元素的原子很容易貢獻出一個自由電子，因此把它稱爲「施主原子」。五價元素的原子提供一個自由電子後，自己變成正離子，但在它周圍的共價鍵中沒有空位，因此並不產生新的空穴，這與本徵激發產生的自由電子不一樣。在摻入五價元素的半導體中，除了五價元素的原子提供的大量自由電子外，還同時存在由本徵激發產生的電子－空穴對，此時，自由電子的濃度遠遠大於空穴的濃度，這種雜質半導體的導電主要以自由電子導電爲主，於是稱爲電子型半導體，或N型半導體。在N型半導體中，自由電子是多數載流子，簡稱多子；空穴是少數載流子，簡稱少子。

簡記：N是Negative，摻5價元素，多子是電子，少子是空穴。（Negative表示負，而電子帶負電，因此電子是多子，空穴是少子）

P型半導體：在本徵半導體中摻入三價元素（如硼），用一個三價元素的原子代替一個四價元素的原子在晶體中的位置。三價原子的三個價電子和四價原子中的三個價電子分別造成共價鍵結構，因缺乏一個電子，在晶體中會出現一個空位。這個空位會吸引附近原子的價電子；獲得電子的硼原子，變成不能移動的負離子，而原來的硅原子因少了一個價電子，造成了空穴。此時，空穴的造成，並無等量的自由電子產生，這和本徵激發產生的空穴不一樣。在摻入三價元素的雜質半導體中，還同時存在由本徵激發產生的電子－空穴對。此時，在半導體中，空穴的濃度遠遠大於自由電子的濃度，而半導體的導電主要以空穴導電爲主，於是稱爲空穴型半導體，或P型半導體。在P型半導體中，空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。

簡記：P是Positive，摻3價元素，多子是空穴，少子是電子。（Positive表示正，而空穴帶正電，因此空穴是多子，電子是少子）

1.PN結的造成：

在同一塊半導體的兩個不一樣區域分別摻入三價和五價的雜質元素，一端成爲P型半導體，另外一端成爲N型半導體；這兩種半導體緊密地接觸在一塊兒，便造成了PN結。PN結兩側的P型半導體、N型半導體摻入的雜質元素不一樣，其載流子濃度也不相同。P型半導體多數載流子是空穴，空穴的濃度遠遠大於N型半導體中空穴的濃度；同理，N型半導體多數載流子是自由電子，自由電子的濃度遠遠大於P型半導體中自由電子的濃度。因爲存在載流子濃度的差別，載流子會從濃度高的區域向濃度低的區域運動，一般把這種運動稱爲擴散運動，把擴散運動產生的電流稱爲擴散電流。如圖1-2-1所示，電子從N區向P區作擴散運動；空穴從P區向N區作擴散運動（虛擬）。

 

                1-2-1 多數載流子擴散運動

當載流子經過兩種半導體的交界面後，在交界面附近的區域，N區擴散到P區的自由電子會與P區的空穴複合，在P區留下不能移動的負離子；P區擴散到N區的空穴，會與N區的自由電子複合，在N區留下不能移動的正離子。擴散的結果是在交界面附近，打破了電中性，造成一個內部勢壘，方向是由N區到P區。失去電中性的區域稱爲空間電荷區，如圖1-2-2所示。因爲多數載流子擴散到對方區域後被複合，即被消耗掉了，所以，空間電荷區也稱爲耗盡層。耗盡層的電阻率很高。擴散做用越強，空間電荷區越寬，勢壘就越大，由於這個勢壘是由內部載流子的擴散造成的，而不是外加電壓造成的，因此稱爲內電場。

              1-2-2  PN結的造成

在內電場的做用下，N區的少數載流子（空穴）會向P區作定向運動，一樣P區的少數載流子（自由電子）會向N區作定向運動，這種運動稱爲漂移運動，由漂移運動產生的電流稱爲漂移電流。N區的空穴向P區漂移，補充了P區失去的空穴，減小了P區的負離子；P區的自由電子向N區漂移，一樣補充了N區失去的電子，減小了N區的正離子，可見，漂移運動的結果會使空間電荷區變窄。

綜上所述，在同一塊半導體中的P區和N區之間，存在擴散和漂移兩種運動，它們之間既相互聯繫又彼此對立。擴散運動會使空間電荷區變寬、內電場加大；內電場的產生和增強又阻止了多子的擴散，有助於少子的漂移，結果使空間電荷區變窄，削弱了內電場，如此反覆，在P區和N區之間，多子的擴散和少子的漂移會造成動態平衡，擴散電流等於漂移電流，總電流等於零，空間電荷區寬度必定，內電場強度必定，PN結呈電中性。

簡記：PN=P+N，與濃度有關的是擴散運動，且爲高濃度（多子）向低濃度（少子）擴散，產生的電流是擴散電流。反過來，作定向運動的是漂移運動，且爲低濃度（少子）向高濃度（多子）運動，產生的電流是漂移電流。二者之間既相互聯繫又彼此對立。

2.PN結的單向導電性:

PN結在無外電場做用時，處於平衡狀態。在PN結兩端加上外加電壓，因爲所加電壓的極性不一樣，PN結會產生不一樣的特性。

（1）外加正向電壓

如圖1-2-3所示，外加直流電源V_D的正極接PN結的P區，負極接PN結的N區，這種接法稱爲爲PN結兩端加入正向電壓。

         1-2-3  給PN結外加正向電壓時導通

此時，外場強的方向和內場強的方向相反。在外場強的做用下，P區的空穴向空間電荷區移動，與空間電荷區的負離子複合；N區的電子也向空間電荷區移動，與空間電荷區的正離子複合，結果空間電荷區變窄，使擴散運動大於漂移運動，從而產生較大的擴散電流（通常爲幾毫安）。由擴散產生的電流稱爲PN結的正向電流，外加電壓越大，正向電流越大。空間電荷區變窄，使PN結的電阻率變得很小，PN結呈現一個很小的電阻，此時稱PN結處於導通狀態。

（2）外加反向電壓

外加直流電源V_D的正極接PN結的N區，負極接PN結的P區，如圖1-2-4所示，這種接法稱爲爲PN結兩端加入反向電壓。

         1-2-4  給PN結外加反向電壓時截止

此時，外場強的方向和內場強的方向相同。在外場強的做用下，P區的空穴向電源的負極移動，N區的自由電子向電源的正極移動，結果空間電荷區變寬，阻止了擴散運動，擴散電流接近於零，PN結內只存在漂移電流。由於漂移電流是由少數載流子造成的，當溫度、光照必定時，少數載流子的濃度是必定的，因此，漂移電流基本上不隨外加電壓的變化而變化。外加反向電壓造成的漂移電流稱爲PN結的反向電流，反向電流不隨外加電壓的變化而變化，故反向電流又稱爲反向飽和電流（典型值範圍爲10-14～10-8A）。此時，PN結呈現一個很大的電阻，此時稱PN結處於截止狀態。

簡記：P區多子是空穴帶正電，N區多子是自由電子帶負電，那麼根據電性相同互相排斥，當電源正極接P區的時候，就會排斥P區的空穴，使其向N區移動，同理，此時負極接N區，就會排斥N區的自由電子，使其向P區移動，這時候空穴和自由電子的移動方向正好和擴散電流的運動方向一致，因此就產生更大的擴散電流，從而使空間電荷區變窄，使PN結的電阻率變得很小，從而使PN結處於導通狀態。同理，根據電性相反互相吸引，當電源正極接N區的時候，就會吸引N區的自由電子，負極接P區的時候，就會吸引P區的空穴，從而阻止了擴散運動，使擴散運動接近於零，使得PN結內只存在漂移電流，而漂移電流基本上不隨外加電壓的變化而變化，因此此時PN結呈現一個很大的電阻，此時稱PN結處於截止狀態。

 

PN結加正向電壓時，具備較大的正向擴散電流，呈現低電阻， PN結導通；PN結加反向電壓時，具備很小的反向漂移電流，呈現高電阻， PN結截止。由此能夠得出結論：PN結具備單向導電性。

 

 三、PN結的伏安特性：

PN結的伏安特性是指外加在PN結兩端的電壓和流過PN結內的電流之間的關係。根據實驗數據和理論分析，PN結的伏安特性下式描述：

上式中，i_D爲流過PN結的電流，參考方向是經電源的正極由P區指向N區；I_S爲PN結的反向飽和電流；v_D爲加在PN結兩端的電壓，參考方向是電源的正極接P區，負極接N區；V_T稱爲溫度的電壓當量，V_T＝kT/q，其中，k爲玻耳茲曼常數（k=1.38 ×10^-23J/K），T爲熱力學溫度，即絕對溫度（單位爲K，0K＝-273.15℃），q爲電子電荷（1.6×10^-19C），常溫（300K）下，V_T= 26mV；e爲天然對數；n爲發射係數，它與PN結的材料、尺寸以及經過的電流有關，通常取值範圍在1～2。

 

   圖1-2-5  PN結的伏安特性曲線

當vD>>0，且vD>VT時，，即加在PN結兩端的電壓大到必定值時，正向電流i_D隨v_D的變化呈指數規律變化。如圖1-2-5中正向電壓部分，該區域稱爲PN結的正向導通區。

當vD<0，且時，iD≈–IS≈0，即加在PN結兩端的反向電壓大到必定值時，反向電流i_D不隨外加電壓的變化而變化，其值是PN結的反向飽和電流。如圖1-2-5中電壓爲0到V_BR部分，該區域稱爲PN結的反向截止區。

四、PN結的反向擊穿特性：

（1）雪崩擊穿

當加在PN結兩端的反向電壓足夠大時，空間電荷區的內場強也會很大，少數載流子經過內場強時，得到足夠的能量，將共價鍵中的電子激發成自由電子，新的自由電子在得到能量後，再去激發其餘共價鍵中的電子，從而產生更多的自由電子，如此下去，PN結內的自由電子數量激增，致使反向電流迅速加大，這種擊穿稱爲雪崩擊穿。

（2）齊納擊穿

在PN結的兩端加入高濃度的雜質，在PN結中就會有大量的空穴和自由電子，即便空間電荷區的寬度很小，也會產生大的內場強，而且將共價鍵中電子拉出成爲自由電子，在不過高的反向電壓做用下，一樣會使反向電流迅速加大，這種擊穿稱爲齊納擊穿。

   圖1-2-5  PN結的伏安特性曲線

如圖1-2-5所示，V_BR是反向擊穿所須要的電壓，稱爲反向擊穿電壓。

對於用硅材料製成的PN結，通常反向電壓大於30V時產生的擊穿是雪崩擊穿，小於6V時產生的擊穿是齊納擊穿，電壓在6V和30V之間時，雪崩、齊納擊穿兼有。

上述兩種電擊穿是可逆的，條件是加在PN結兩端的電壓和流過PN結電流的乘積小於PN結容許的耗散功率，若是大於容許的耗散功率，PN結會由於熱量散發不出去而被燒燬，此時的擊穿稱爲熱擊穿。在PN結中電擊穿、熱擊穿是不一樣的概念，但每每是並存的，電擊穿能夠利用（如製成穩壓二極管），對於熱擊穿應儘可能避免。

簡記：雪崩擊穿是由於在PN結兩端的反向電壓足夠大，而齊納擊穿是由於在PN結的兩端加入高濃度的雜質從而只須要不過高的反向電壓做用（區別在電壓大小和是否摻入高濃度雜質）。相同點是均可逆。

五、PN結的電容效應：

在PN結的兩端加上一個變化的電壓，PN結內就會有電荷的變化，可見PN結具備電容效應。PN結的電容效應會影響半導體器件（如二極管、晶體三極管等）的開關和高頻性能。根據產生的緣由不一樣，PN結的電容可分爲勢壘電容C_B和擴散電容C_D。

勢壘（barrier）電容C_B是由空間電荷區產生的。在空間電荷區中缺乏載流子、只有不能移動的正、負離子，且當外加電壓變化時，空間電荷區的寬度會發生變化，即空間電荷區的電荷量會發生變化，呈現電容效應，如圖1-2-6所示。當空間電荷區變寬時，電荷量增多，至關於電容充電，當空間電荷區變窄時，電荷量減小，至關於電容放電，就像平板電容器充放電同樣，這種方式產生的電容稱爲勢壘電容，它是一種非線性的電容，其值的大小由外加電壓決定，通常爲幾皮法至1、二百皮法。

                    圖1-2-6  PN結的勢壘電容

擴散（diffusion）電容C_D是在PN結正偏（加正向電壓）時，由多數載流子擴散產生的。PN結正偏時，N區的電子向P區擴散，在結邊緣處造成必定的濃度分佈，靠近結邊緣處的濃度大，遠離結邊緣處的濃度小，這樣在結邊緣處造成了必定的電荷積累，P區的空穴向N區擴散與此狀況相似，如圖1-2-7所示。電荷積累的多少受外加電壓的影響，因而就產生了電容效應，這種方式產生的電容稱爲擴散電容，它也是一種非線性電容。

                  圖1-2-7  PN結的擴散電容

PN結中的電容是勢壘電容和擴散電容之和，即C=C_B+C_D。

簡記：PN結正向偏置時，結電容C以擴散電容爲主；反向偏置時，結電容C約等於勢壘電容。結面積越小，結電容越小。值得注意的是，在高頻時，結電容的存在會影響PN結的單向導電特性。