第二节 PN结原理及特性

上节内容介绍了掺杂半导体，由于掺杂元素不同形成了P型半导体和N型半导体。P型半导体中含有多余的空穴，N型半导体中含有多余的电子。将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体材料上，在P、N型半导体的交界处将会形成PN结（PN junction）。

1. PN结的形成

图1

图1的左边为P型半导体，右边为N型半导体。将两者结合在一起并制作在同一块半导体材料上。由于左右两边的空穴和电子的浓度不同，此时会出现扩散现象，即左边的空穴会向右边移动，右边的电子会向左边移动，这种由于多子的不平衡引起的多子移动称为扩散运动。由于扩散运动，P区的空穴移到N区后与电子结合，N 区的电子移到P区后与空穴结合，因此在P、N区的交界出形成了正、负离子区。N区为正离子区，P区为负离子区。正负离子区合在一起称为空间电荷区，该区也称为耗尽层。

图2  正负离子区与空间电荷区

• 空间电荷区内电场形成

如图2所示，在空间电荷区，由于正负离子是由带正负电荷的原子核构成的离子，这些离子是不能移动的，由此，P区和N区的交界处就形成了电场，电场方向N区指向P区，如图3所示，这种电场由于在PN内部形成，也称PN的内电场。

图3 耗尽层内电场

 

图4 内电场与电位差及少数载流子漂移

图4可以看出由于在空间电荷区形成内电场，同时也出现了N区到P区的电位差，从而形成了内电压。内电场组织扩散运动，同时也给少数载流子提供了动力，使得P区的少数载流子（电子）在电场的作用下向N区移动，N区的少数载流子（空穴）向P区移动，这种少数载流子在内电场的作用下反向移动的现象称为漂移。一方面扩散减弱，一方面漂移加强，最终形成动态平衡，此时空间电荷区形成固定宽度的耗尽层，内部电场强度也固定在某个具体的数值上，电位差也随之固定。

2.PN结的特性

• PN结具有单向导电性

PN结由于内部具有空间电荷区并形成内电场，组织扩散运动继续进行，同时增强漂移运动，最终达到动态平衡，从PN结的外部看没有电流流入与流出。如果要使PN结导电，就要打破内部固有的平衡，继续加强多子扩散，减弱漂移或者继续减弱多子扩散，加强漂移，无论哪个方向加强，都需要引进外电场，从而打破原有的平衡。

• • PN正向偏置

图5 PN正向偏置

如图5所示，在P区加正电压，在N区加负电压称为PN正向偏置。PN正向偏置将会在PN上施加一个外电场，电场的方向与空间电荷区形成的内电场方向相反，可以抵消内电场。当从P区到N区的电压逐渐加强时，耗尽层也逐渐变薄，扩散运动逐渐加强，漂移运动逐渐减弱，破坏了原有的动态平衡。多数载流子（电子）从N区流向P区与P区的空穴复合，最终流向电源正极，而电源负极提供等量的电子流向N区。因此当PN正向偏置（简称正偏），在PN结内部形成导电通路，因此正偏可以使PN导通。

• • PN结反偏

 

图６　PN反偏

在P区施加负电压，在N区施加正电压称为反向偏置（简称反偏）。PN反偏时外部施加的电压将形成与内电场相同方向的电场，此时加强漂移，更加减弱了扩散，使空间电荷区变厚。此时在PN结内部只有少子的漂移形成电流，因为少子的密度非常低，因此PN结反偏时PN结流过的电流非常小，一般是微安级的，因此认为PN是截止的。

综上所述，PN正偏导通，PN反偏截止，因此PN具有单向导电性。

• PN结电流方程

PN结的电流可以用如下公式进行描述：

          i = Is ( e^qu/kT -1 )                                              (2)

其中Is为PN的反向饱和电流,即PN反偏时的饱和电流， u为PN结两端的电压，q为电子的电量（库伦），k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。

由于kT/q具有电压的量纲，设U_T=kT/q，而且kT/q与材料无关,因此 式（2）可以简化为：

i = Is ( e^u/UT -1）                                             (3)

       常温下，即T=300K（T=27° 摄氏）时 U_T ≅26mV.  这个简化公式很重要,在工程上会经常使用 U_T ≅26mV进行晶体管体电阻的简化计算.

• • PN结电流方程工程简化

在电子线路计算中往往在特定条件下进行简化计算, 如某条件A>>B, 一般认为在满足A大于5到10倍B时满足该条件. 根据该假设当u>0.5V,即满足u>>U_T , 此时e^u/UT >>1, 此时PN正偏, 式(3)可以简化为:

i ≅Is e^u/UT                (4)

             注: 式(4)要求 PN正偏, 且u>0.5V,  同时(4)是相对准确的公式, 该公式依然受半导体材料,温度,光照的外部环境的影响.

• • PN结电流方程分析

    • 当PN正偏时, 当u=U_T ,  根据式(3) 此时 PN电流i 很小。
    • 当PN反偏时,同时满足 |u|>> U_T时, i≅-Is, PN处在非导通状态。
    • 当PN正偏,同时满足 u>>U_T时 , i ≅Is e^u/UT , 当ｕ大于开启电压时(硅材料约为0,5V, 这材料为0.1v), PN结处在导通状态.
    • 当 |u|不满足条件|u|>> U_T时, PN结流过非常小的电流, PN处在截止状态.

• PN结伏安特性曲线

伏安特性曲线是指在电子线路中,电流 i 随电压u变化的曲线, PN的伏安特性曲线如图７所示，

图７　PN结伏安特性曲线

   由于PN结的伏安特性曲线与二极管的伏安特性曲线相同,而伏安特性曲线比公式(3),(4)更适合工程应用, 伏安特性的详细解释将会在二极管部分内容中介绍.

3. PN结的结电容

PN在通过高频信号(如调频,调相,开关)时,PN 结的结电容对信号的高频性能影响很大,因此需要分析PN结的结电容，建立PN等效结电容模型，便于直观和理论分析．PN结的两种电容效应：扩散电容C_D（diffusion capacitance) 和势垒电容C_B (barrier capacitance), PN 结电容效应是这两种电容叠加的结果.

• 扩散电容C_D

PN结处于正向偏置时，多子的扩散导致在P区（N区）靠近结的边缘有高于空置(PN两端无电压）或反偏时的电子（空穴）浓度，这种超量的浓度可视为电荷存储到PN结的邻仅区域，如图８所示．

图８　扩散引起的电荷存储效应

扩散电容CD可以按下式计算，

                                        (5)

公式表示PN结在正偏的条件下，PN的两端有较小的电压变化，引起的PN结存储电荷的变化，二者之比在Q点上的微商值。当PN结反偏时，由于扩散很少即Q值非常小，因此一般情况下，在PN反偏时扩散电容可以忽略不记。

• 势垒电容

在PN结形成后，空间电荷区积累了一定宽度的正负离子，因此耗尽层与带正负电荷的平板电容器及其类似。但耗尽层有个显著的特点就是耗尽层的宽度随着外加电压不同而变化，因次利用这个特点可将PN利用特殊工艺制作成压控电容。耗尽层又称为势垒区，因此由势垒区的正负离子形成的电容又称为势垒电容。势垒电容由如下几个因素决定，

• • 势垒区的宽度，势垒区的宽度由掺杂浓度，外加电压决定。
  • 势垒区的截面积，因此在制作PN时由面接触型和点接触型，分别适应不同的用途（见二极管）。
  • 势垒区的介电常数。
  • 势垒电容受外加电压控制

图9

图9 外加电压对势垒电容的影响

• PN结的电容效应

PN结的电容效应是扩散电容和势垒电容的综合反映，Cj=Cb+Cd。在高频运用时，须考虑PN结电容的影响。正偏时，结电容较大（主要决定于扩散电容）；反偏时，结电容较小（主要决定于势垒电容） 。

 

习题：

（1）根据公式U_T=kT/q ， 当常温摄氏27°时， U_T≅26mV, 计算当温度分别为摄氏85°和-40°时，U_T的值。

（2）根据公式i = Is ( e^u/UT -1），假设硅PN，Is=50uA， U_T=26 mV, PN导通时的压降为0.7V， 计算图5中的电流。假设图中电阻R=1K， 电源电压为5V。画出PN结的等效电路。