PN結的形成

在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導體，另一邊形成P型半導體，那么在兩種半導體的交界面附近就形成了PN結。PN結是構成各種半導體器件的基礎。

在P型半導體和N型半導體結合后，由于N型區內電子很多而空穴很少，而P型區內空穴很多電子很少，在它們的交界處就出現了電子和空穴的濃度差別。這樣，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴散。于是，有一些電子要從N型區向P型區擴散，也有一些空穴要從P型區向N型區擴散。它們擴散的結果就使P區一邊失去空穴，留下了帶負電的雜質(zhì)離子,N區一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。半導體中的離子不能任意移動(dòng)，因此不參與導電。這些不能移動(dòng)的帶電粒子在P和N區交界面附近，形成了一個(gè)很薄的空間電荷區，就是所謂的PN結?？臻g電荷區有時(shí)又稱(chēng)為耗盡區。擴散越強，空間電荷區越寬。

在出現了空間電荷區以后，由于正負電荷之間的相互作用，在空間電荷區就形成了一個(gè)內電場(chǎng)，其方向是從帶正電的N區指向帶負電的P區。顯然，這個(gè)電場(chǎng)的方向與載流子擴散運動(dòng)的方向相反，它是阻止擴散的。

另一方面，這個(gè)電場(chǎng)將使N區的少數載流子空穴向P區漂移，使P區的少數載流子電子向N區漂移，漂移運動(dòng)的方向正好與擴散運動(dòng)的方向相反。從N區漂移到P區的空穴補充了原來(lái)交界面上P區所失去的空穴，從P區漂移到N區的電子補充了原來(lái)交界面上N區所失去的電子，這就使空間電荷減少，因此，漂移運動(dòng)的結果是使空間電荷區變窄。

當漂移運動(dòng)和擴散運動(dòng)相等時(shí)，PN結便處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

二、PN結的正向導電性

當PN結加上外加正向電壓，即電源的正極接P區，負極接N區時(shí)，外加電場(chǎng)與PN結內電場(chǎng)方向相反。在這個(gè)外加電場(chǎng)作用下，PN結的平衡狀態(tài)被打破，P區中的多數載流子空穴和N區中的多數載流子電子都要向PN結移動(dòng)，當P區空穴進(jìn)入PN結后，就要和原來(lái)的一部分負離子中和，使P區的空間電荷量減少。同樣，當N區電子進(jìn)入PN結時(shí)，中和了部分正離子，使N區的空間電荷量減少，結果使PN結變窄，即耗盡區由厚變薄，由于這時(shí)耗盡區中載流子增加，因而電阻減小。勢壘降低使P區和N區中能越過(guò)這個(gè)勢壘的多數載流子大大增加，形成擴散電流。在這種情況下，由少數載流了形成的漂移電流，其方向與擴散電流相反，和正向電流比較，其數值很小，可忽略不計。這時(shí)PN結內的電流由起支配地位的擴散電流所決定。在外電路上形成一個(gè)流入P區的電流，稱(chēng)為正向電流。當外加電壓稍有變化（如O.1V），便能引起電流的顯著(zhù)變化，因此電流是隨外加電壓急速上升的。 這時(shí)，正向的PN結表現為一個(gè)很小的電阻。

三、PN結的反向導電性

當PN結外加反向電壓，即電源的正極接N區，負極接P區。外加電場(chǎng)方向與PN結內電場(chǎng)方向相同，PN結處于反向偏置。在反向電壓的作用下，P區中的空穴和N區中的電子都將進(jìn)一步離開(kāi)PN結，使耗盡區厚度加寬，PN結的內電場(chǎng)加強。這一結果，一方面使P區和N區中的多數載流子就很難越過(guò)勢壘，擴散電流趨近于零。另一方面，由于內電場(chǎng)的加強，使得N區和P區中的少數載流子更容易產(chǎn)生漂移運動(dòng)。這樣，流過(guò)PN結的電流由起支配地位的漂移電流所決定。漂移電流表現在外電路上有一個(gè)流入N區的反向電流IR。由于少數載流子是由本征激發(fā)產(chǎn)生的，其濃度很小，所以IR是很微弱的，一般為微安數量級。當管子制成后，IR數值決定于溫度，而幾乎與外加電壓無(wú)關(guān)。IR受溫度的影響較大，在某些實(shí)際應用中，還必須予以考慮。

PN結在反向偏置時(shí)，IR很小，PN結呈現一個(gè)很大的電阻，可認為它基本是不導電的。

四、PN結的伏安特性

PN結的伏安特性（外特性）如圖所示，它直觀(guān)形象地表示了PN結的單向導電性。

當PN結外加反相電壓|vD|小于擊穿電壓（VBR）時(shí)，iD≈–IS。IS很小且隨溫度變化。當反向電壓的絕對值達到|VBR|后，反向電流會(huì )突然增大，此時(shí)PN結處于“反向擊穿”狀態(tài)。發(fā)生反向擊穿時(shí)，在反向電流很大的變化范圍內，PN結兩端電壓幾乎不變。

反向擊穿分為電擊穿和熱擊穿，電擊穿包括雪崩擊穿和齊納擊穿。PN結熱擊穿后電流很大，電壓又很高，消耗在結上的功率很大，容易使PN結發(fā)熱，把PN結燒毀。熱擊穿是不可逆的。

雪崩擊穿

當PN結反向電壓增加時(shí)，空間電荷區中的電場(chǎng)隨著(zhù)增強。這樣，通過(guò)空間電荷區的電子和空穴，就會(huì )在電場(chǎng)作用下獲得的能量增大，在晶體中運動(dòng)的電子和空六將不斷地與晶體原子又發(fā)生碰撞，當電子和空穴的能量足夠大時(shí)，通過(guò)這樣的碰撞的可使共價(jià)鍵中的電子激發(fā)形成自由電子–空穴對。新產(chǎn)生的電子和空穴也向相反的方向運動(dòng)，重新獲得能量，又可通過(guò)碰撞，再產(chǎn)生電子–空穴對，這就是載流子的倍增效應。當反向電壓增大到某一數值后，載流子的倍增情況就像在陡峻的積雪山坡上發(fā)生雪崩一樣，載流子增加得多而快，這樣，反向電流劇增， PN結就發(fā)生雪崩擊穿。

齊納擊穿

在加有較高的反向電壓下，PN結空間電荷區中存一個(gè)強電場(chǎng)，它能夠破壞共價(jià)鍵，將束縛電子分離出來(lái)產(chǎn)生電子–空穴對，形成較大的反向電流。發(fā)生齊納擊穿需要的電場(chǎng)強度約為2×105V/cm，這只有在雜質(zhì)濃度特別大的PN結中才能達到。因為雜質(zhì)濃度大，空間電荷區內電荷密度（即雜質(zhì)離子）也大，因而空間電荷區很窄，電場(chǎng)強度可能很高。

六、PN結的勢壘電容

在一定條件下，PN結顯現出充放電的電容效應。不同的工作情況下的電容效應，分別用勢壘電容和擴散電容于以描述。

勢壘電容CB

勢壘電容CB描述了PN結勢壘區空間電荷隨電壓變化而產(chǎn)生的電容效應。PN結的空間電荷隨外加電壓的變化而變化，當外加電壓升高時(shí)，N區的電子和P區空穴進(jìn)入耗盡區，相當于電子和空穴分別向CB“充電”，如圖(a)所示。當外加電壓降低時(shí)，又有電子和空穴離開(kāi)耗盡區，好像電子和空穴從CB放電，如圖(b)所示。CB是非線(xiàn)性電容，電路上CB與結電阻并聯(lián)。在PN結反偏時(shí)結電阻很大，CB的作用不能忽視，特別是在高頻時(shí)，它對電路有較大的影響。