模擬電路網(wǎng)絡課件 第四節(jié):PN結(jié)的形成

PN結(jié)的形成

一、PN結(jié)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(jié)。PN結(jié)是構(gòu)成各種半導體器件的基礎。

在P型半導體和N型半導體結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)電子很多而空穴很少，而P型區(qū)內(nèi)空穴很多電子很少，在它們的交界處就出現(xiàn)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(qū)向P型區(qū)擴散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴散。它們擴散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負電的雜質(zhì)離子,N區(qū)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，因此不參與導電。這些不能移動的帶電粒子在P和N區(qū)交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，就是所謂的PN結(jié)?？臻g電荷區(qū)有時又稱為耗盡區(qū)。擴散越強，空間電荷區(qū)越寬。

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

另一方面，這個電場將使N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，漂移運動的方向正好與擴散運動的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補充了原來交界面上P區(qū)所失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補充了原來交界面上N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，因此，漂移運動的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄。

當漂移運動和擴散運動相等時，PN結(jié)便處于動態(tài)平衡狀態(tài)。

二、PN結(jié)的正向?qū)щ娦?/P>

當PN結(jié)加上外加正向電壓，即電源的正極接P區(qū)，負極接N區(qū)時，外加電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反。在這個外加電場作用下，PN結(jié)的平衡狀態(tài)被打破，P區(qū)中的多數(shù)載流子空穴和N區(qū)中的多數(shù)載流子電子都要向PN結(jié)移動，當P區(qū)空穴進入PN結(jié)后，就要和原來的一部分負離子中和，使P區(qū)的空間電荷量減少。同樣，當N區(qū)電子進入PN結(jié)時，中和了部分正離子，使N區(qū)的空間電荷量減少，結(jié)果使PN結(jié)變窄，即耗盡區(qū)由厚變薄，由于這時耗盡區(qū)中載流子增加，因而電阻減小。勢壘降低使P區(qū)和N區(qū)中能越過這個勢壘的多數(shù)載流子大大增加，形成擴散電流。在這種情況下，由少數(shù)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(shù)值很小，可忽略不計。這時PN結(jié)內(nèi)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流入P區(qū)的電流，稱為正向電流。當外加電壓稍有變化（如O.1V），便能引起電流的顯著變化，因此電流是隨外加電壓急速上升的。 這時，正向的PN結(jié)表現(xiàn)為一個很小的電阻。

三、PN結(jié)的反向?qū)щ娦?/P>

當PN結(jié)外加反向電壓，即電源的正極接N區(qū)，負極接P區(qū)。外加電場方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，PN結(jié)處于反向偏置。在反向電壓的作用下，P區(qū)中的空穴和N區(qū)中的電子都將進一步離開PN結(jié)，使耗盡區(qū)厚度加寬，PN結(jié)的內(nèi)電場加強。這一結(jié)果，一方面使P區(qū)和N區(qū)中的多數(shù)載流子就很難越過勢壘，擴散電流趨近于零。另一方面，由于內(nèi)電場的加強，使得N區(qū)和P區(qū)中的少數(shù)載流子更容易產(chǎn)生漂移運動。這樣，流過PN結(jié)的電流由起支配地位的漂移電流所決定。漂移電流表現(xiàn)在外電路上有一個流入N區(qū)的反向電流IR。由于少數(shù)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(shù)量級。當管子制成后，IR數(shù)值決定于溫度，而幾乎與外加電壓無關。IR受溫度的影響較大，在某些實際應用中，還必須予以考慮。

PN結(jié)在反向偏置時，IR很小，PN結(jié)呈現(xiàn)一個很大的電阻，可認為它基本是不導電的。

四、PN結(jié)的伏安特性

PN結(jié)的伏安特性（外特性）如圖所示，它直觀形象地表示了PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/P>

伏安特性的表達式

式中

iD——通過PN結(jié)的電流

vD——PN結(jié)兩端的外加電壓

VT——溫度的電壓當量，VT = kT/q = T/11600 = 0.026V，其中k為波耳茲曼常數(shù)（1.38×10–23J/K），T為熱力學溫度，即絕對溫度（300K），q為電子電荷（1.6×10–19C）。在常溫下，VT ≈26mV。

e——自然對數(shù)的底

Is——反向飽和電流，對于分立器件，其典型值為108~1014A的范圍內(nèi)。集成電路中二極管PN結(jié)，其Is值則更小.

當vD>>0，且vD＞VT時， ；

當vD＜0，且 時，iD≈–IS≈0。

由此可看出PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/P>

五、PN結(jié)的反向擊穿特性

反向伏安性

當PN結(jié)外加反相電壓|vD|小于擊穿電壓（VBR）時，iD≈–IS。IS很小且隨溫度變化。當反向電壓的絕對值達到|VBR|后，反向電流會突然增大，此時PN結(jié)處于“反向擊穿”狀態(tài)。發(fā)生反向擊穿時，在反向電流很大的變化范圍內(nèi)，PN結(jié)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(jié)熱擊穿后電流很大，電壓又很高，消耗在結(jié)上的功率很大，容易使PN結(jié)發(fā)熱，把PN結(jié)燒毀。熱擊穿是不可逆的。

雪崩擊穿

當PN結(jié)反向電壓增加時，空間電荷區(qū)中的電場隨著增強。這樣，通過空間電荷區(qū)的電子和空穴，就會在電場作用下獲得的能量增大，在晶體中運動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，通過這樣的碰撞的可使共價鍵中的電子激發(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，重新獲得能量，又可通過碰撞，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(shù)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(jié)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(jié)空間電荷區(qū)中存一個強電場，它能夠破壞共價鍵，將束縛電子分離出來產(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強度約為2×105V/cm，這只有在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)中才能達到。因為雜質(zhì)濃度大，空間電荷區(qū)內(nèi)電荷密度（即雜質(zhì)離子）也大，因而空間電荷區(qū)很窄，電場強度可能很高。

六、PN結(jié)的勢壘電容

在一定條件下，PN結(jié)顯現(xiàn)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(jié)勢壘區(qū)空間電荷隨電壓變化而產(chǎn)生的電容效應。PN結(jié)的空間電荷隨外加電壓的變化而變化，當外加電壓升高時，N區(qū)的電子和P區(qū)空穴進入耗盡區(qū)，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，又有電子和空穴離開耗盡區(qū)，好像電子和空穴從CB放電，如圖(b)所示。CB是非線性電容，電路上CB與結(jié)電阻并聯(lián)。在PN結(jié)反偏時結(jié)電阻很大，CB的作用不能忽視，特別是在高頻時，它對電路有較大的影響。

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七、PN結(jié)的擴散電容

擴散電容CD

PN結(jié)正向?qū)щ姇r，多子擴散到對方區(qū)域后，在PN結(jié)邊界上積累，并有一定的濃度分布。積累的電荷量隨外加電壓的變化而變化，當PN結(jié)正向電壓加大時，正向電流隨著加大，這就要求有更多的載流子積累起來以滿足電流加大的要求；而當正向電壓減小時，正向電流減小，積累在P區(qū)的電子或N區(qū)的空穴就要相對減小，這樣，當外加電壓變化時，有載流子的向PN結(jié)“充入”和“放出”。，PN結(jié)的擴散電容CD描述了積累在P區(qū)的電子或N區(qū)的空穴隨外加電壓的變化的電容效應。

CD是非線性電容，PN結(jié)正偏時，CD較大，反偏時載流子數(shù)目很少，因此反向時擴散電容數(shù)值很小。一般可以忽略。

八、PN結(jié)的高頻等效電路

由于PN結(jié)結(jié)電容（CB和CD）的存在，使其在高頻運用時，必須考慮結(jié)電容的影響。PN結(jié)高頻等效電路如下圖所示，圖中r表示電阻，C為結(jié)電容，它包括勢壘電容和擴散電容。C的大小除了與本身結(jié)構(gòu)和工藝有關外，還與外加電壓有關。當PN結(jié)處于正向偏置時，r為正向電阻，數(shù)值很小，而結(jié)電容較大（主要決定于擴散電容CD）。當PN結(jié)處于反向偏置時，r為反向電阻，其數(shù)值較大。結(jié)電容較?。ㄖ饕獩Q定于勢壘電容CB）。