1、PN结采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性。P是positive的缩写，N是negative的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。PN结（PN junction）一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时 ，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的 PN 结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注
2、入法和外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法。P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；N型半导体（N指negtive，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的 。N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载
3、流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区 。P 型半导体一边的空间电荷是负离子 ，N 型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散 ，达到平衡。在PN结上外加一电压 ，如果P型一边接正极 ，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导电性。PN结加反向电压时 ，空间电荷区变宽 ， 区中电场增强。反向电
4、压增大到一定程度时，反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。基本的击穿机构有两种，即隧道击穿（也叫齐纳击穿）和雪崩击穿，前者击穿电压小于0.6V，有负的温度系数，后者击穿电压大于0.6V，有正的温度系数。 PN结加反向电压时，空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变。根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。如利用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管，利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管；利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二
5、极管；利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管。使半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管；利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器；利用光生伏特效应可制成太阳电池。此外，利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子功能 。PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代电子技术的基础。在二级管中广泛应用。PN结的平衡态,是指PN结内的温度均匀、稳定,没有外加电场、外加磁场、光照和辐射等外界因素的作用,宏观上达到稳定的平衡状态.PN结的工作原理PN结的形成 在一块本征半导
6、体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差 多子的扩散运动®由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。PN结形成的过程可参阅图01.06。第二章第二节 PN结的形成2.2 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
7、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
8、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
9、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
10、，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
11、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。PN结的伏安特性曲线伏安特性的表达式式中iD通过PN结的电流vD
12、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（1.381023J/K），T为热力学温度，即绝对温度（300K），q为电子电荷（1.61019C）。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1081014A的范围内。集成电路中二极管PN结，其Is值则更小.当vD0，且vDVT时， ；当vD0，且 时，iDIS0。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PN结的伏安特性曲线当PN结外加反相电压|vD|小于击穿电压（VBR）时，iDIS。IS很小且随温度变化。当反
13、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PN结的雪崩击穿符号当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
14、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2105V/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
15、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CDPN结正向导电时，多子扩散到对方
16、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）。
