【计算机的物理实现】PN结的伏安特性

上一篇文章写了把PN结接在电路里的单向导电性，这篇文章说明下把PN结接入电路后电流与电压之间的关系，也就是PN结的伏安特性。

直接上图

首先说明一下，坐标轴横轴为电压，纵轴为电流。横轴的正半轴表示正向偏置，负半轴表示反向偏置。红线代表硅，蓝线代表锗。

首先解释下正向偏置为什么是这样的曲线。

因为扩散运动会使pn结产生一个内电场，而外加的电压需要克服这个内电场才能导通电流。这个电压称为死区电压。如果是硅材料，数值大概是0.5V左右，如果是锗材料，数值大概是0.1V左右。当外加的正向电压在这个数值之上以后，我们知道内电场的形成就是因为PN结两端有正负电荷的积累。而一旦客服了内电场这些电子就能参与到电路中，电流的大小就会随电压增大呈现指数增长。

我们再看反向偏置。

反向偏置因为外电场的方向与内电场一致，所以没有死区电压这东西。所以电流大小随电压的增大而增大。但是电流增大的一定数值就不再增大了。因为P区的自由电子数量有限。再大也就那么点。然后我们看图，当反向电压的大小大到一定程度时，电流会突然暴增。这个现象称为反向击穿。这个电压称为击穿电压。击穿电压数值因材料在几十V到几千V不等。那产生这么大电流的那些电子哪来的呢？或者说击穿是怎么回事呢？接下来说明一下。

击穿有两种情况，一种是齐纳击穿，另一种是雪崩击穿。

在高掺杂的情况下，因为电子-空穴的密度大，所以形成的空间电荷区就比较窄，至于高掺杂为什么比较窄呢？我们知道空间电荷区的宽度和P区的负离子和N区的正离子数量有关，在高掺杂的情况下扩散运动和漂移运动过程中正负离子密度大那么内电场增强很快所以很快就动态平衡了，那么PN结也就比较窄。因为空间电荷区比较窄，那么不大的反向电压（一般是6v以下）就可以在PN结产生一个很强的电场。这个电场会破坏共价键，共价键一破坏，原来组成共价键的那些电子就跑出来了，也就形成了巨大的电流。这就是齐纳击穿。

如果在低掺杂的情况下，因为电子-空穴密度小，所以形成的空间电荷区就比较宽，这样很难在PN结产生一个很强的电场。但是如果反响电压大到一定程度，依然会P区做漂移运动的电子获得较大的速度。然后把共价键的电子撞飞，而共价键的电子被撞飞以后也获得很大的速度，又把别的共价键的电子撞飞。这样就像雪崩一样产生了大量电子，也就形成了巨大的电流。这就是雪崩击穿。

所以当反向电压大到一定程度的时候都会发生击穿，如果是高掺杂的情况下发生齐纳击穿，如果是低掺杂的情况下发生雪崩击穿。甚至正向电压如果太大也会发生击穿。

另外击穿是很危险的，因为功率 = 电流 * 电压。如果电流暴增那么功率也会暴增。功率一大就发发出大量的热，如果热量散不出去就会使半导体烧坏。烧坏就是一种化学变化了，是不可逆的。