PN结及其特性详细介绍

PN结及其特性详细介绍

1. PN结的形成

　　在一块本征半导体在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:

　　 扩散到对方的载流子在P区和N区的交界处附近被相互中和掉，使P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这样在两种半导体交界处逐渐形成由正、负离子组成的空间电荷区（耗尽层）。由于P区一侧带负电，N区一侧带正电，所以出现了方向由N区指向P区的内电场

PN结的形成

　　当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来。此时，有多少个多子扩散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，二者产生的电流大小相等，方向相反。因此，在相对平衡时，流过PN结的电流为0。

　　对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。由于耗尽层的存在，PN结的电阻很大。

 

 

　　PN结的形成过程中的两种运动：多数载流子扩散少数载流子飘移

 

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　PN结的形成过程（动画）　　　　　　　　　　　　　

2. PN结的单向导电性

　　PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。
　　 如果外加电压使PN结中：
　　 P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；
　　 P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。

(1) PN结加正向电压时的导电情况

　　PN结加正向电压时的导电情况如图所示。外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。

　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　PN结加正向电压时的导电情况　　　　　

 

(2) PN结加反向电压时的导电情况

　　外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。

 

 

　　在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。

 

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　PN结加反向电压时的导电情况（动画）

 

（3） PN结的伏安特性

　　PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。

3. PN结方程

　　根据理论分析，PN结两端的电压V与流过PN结的电流I之间的关系为：

　　其中：IS为PN结的反向饱和电流；VT称为温度电压当量，在温度为300K(27°C)时， VT约为26mV；

　　所以上式常写为：

　　PN结正偏时，如果V> VT 几倍以上，上式可改写为：

　　即I随V按指数规律变化。

　　PN结反偏时，如果V > VT几倍以上，上式可改写为：

其中负号表示为反向。

4. PN结的击穿特性

　　如图所示，当加在PN结上的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然急剧增大，PN结产生电击穿—这就是PN结的击穿特性。发生击穿时的反偏电压称为PN结的反向击穿电压VBR。

　　PN结的电击穿是可逆击穿，及时把偏压调低，PN结即恢复原来特性。电击穿特点可加以利用（如稳压管）。热击穿就是烧毁，是不可逆击穿。使用时尽量避免。

 

　　PN结被击穿后，PN结上的压降高，电流大，功率大。当PN结上的功耗使PN结发热，并超过它的耗散功率时，PN结将发生热击穿。这时PN结的电流和温度之间出现恶性循环，最终将导致PN结烧毁。

 

 

5 . PN结的电容效应

　　PN结除了具有单向导电性外，还有一定的电容效应。按产生电容的原因可分为：

(1) 势垒电容CB

　　势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图如下图。

(2) 扩散电容CD

 

　　扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图所示。

 

　　当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。PN结在反偏时主要考虑势垒电容。PN结在正偏时主要考虑扩散电容。