模电学习笔记2：PN结的形成与特性

2.1载流子的漂移与扩散

2.1.1漂移运动（前提：外电场）

       在外部电场作用下，载流子的运动称为漂移运动。

       载流子的平均漂移运动与电场矢量E成正比，且有如下公式:

       公式说明空穴在相同条件下比自由电子移动速度要快，因此在高频电路中电子导电器件要优于空穴导电器件。

2.1.2扩散运动（前提：浓度差）

       载流子会从高浓度区域向低浓度区域扩散，并因此形成扩散电流。

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2.2PN结的形成

       在半导体两个不同的区域分别掺入三价和五价的杂质，便形成了P型区和N型区（P型区的空穴浓度高、N型区的自由电子浓度高）。在它们的交界区处就出现了自由电子和空穴的浓度差异，它们都要向浓度低的区域扩散。

       扩散过程中，在交界区处附近的大部分自由电子和空穴都复合了，P区、N区分别失去空穴和自由电子，分别留下负电离子和正电离子（受晶体结构限制不能移动）。

       这些不能移动的带电离子集中在交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是PN结。又因为这个区域内载流子都被“消耗”掉了（实际是复合），故又称耗尽区。该区几乎没有载流子，因此电阻率很高。

       在出现了空间电荷区以后，就形成了一个电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区，称为内电场。

       该电场会减弱多子的扩散，促进少子的漂移。

       少子漂移是N区的少子空穴漂移向P区，补充原来P区“消耗”的空穴；P区的少子自由电子漂移向N区，补充原来N区“消耗”的自由电子。因此使空间电荷区变薄，即减弱内电场。

       由此可见多子扩散、少子漂移会促进对方运动、减弱自己运动。而当多子扩散运动和少子漂移运动相等时，空间电荷区便处于动态平衡状态，此时成为势垒区，PN结最终形成。

       P区和N区的掺杂浓度相同时，空间电荷区对称。浓度不同时，空间电荷区不对称。浓度低的区域，空间电荷区宽（空间电荷区左右正负离子总数相等，所以浓度低的区域需要更宽的区域提供载流子）。

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2.3PN结的单向导电性（正偏导通，反偏截止）

2.3.1外加正向电压

       设P区电位高于N区电位的所加电压为正向电压，也称PN结正向偏置。（理解记忆：PN结，P高N低为正向电压）

       此时P区的多子空穴和N区的多子自由电子都向PN结移动（但没有越过势垒区），P区的空穴中和一部分负离子，N区的自由电子中和一部分正离子，故空间电荷区变薄，电阻率下降，导电能力上升，导通。

2.3.2门坎电压（死区电压）

       正向电压小时，PN结还是呈现为一个电阻，正向电流几乎为零，只有超过门坎电压时，电流才明显增大。

2.3.4正向导通压降

       正向电压达到正向导通压降时，电阻几乎没有，电流导通。

2.3.4外加反向电压

       对应的N区电位高于P区电位的所加电压为负向电压，也称PN结反向偏置。

       此时P区空穴和N区的自由电子进一步离开PN结，使空间电荷区加宽，电阻率上升，导电能力下降，截止。

2.3.5反向饱和电流

       加反向电压时，少子漂移增强，形成漂移电流，也称反向饱和电流。

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2.4PN结的反向击穿

2.4.1电击穿与热击穿

        当PN结反向电压增大到一定值，反向电流突然增加，这个现象为电击穿，发生击穿所需的反向电压称为反向击穿电压。电击穿是可逆的，反向电压减低后可以恢复原来的状态。

        PN结电击穿后电流很大，易使PN结发热，并快速升温，从而烧毁PN结，为热击穿，不可逆。

2.4.2电击穿的分类

       雪崩击穿（掺杂浓度低时）：掺杂浓度低时，电阻高，PN结宽，即给少子漂流的加速电场宽。加大反向电压，少子能获得足够大的能量，撞开共价键，电子-空穴对分开，获得能量，也开始撞击，于是像雪崩一样越滚越大，电击穿。（温度越高，载流子热运动能量越大越难“控制”，要使少子定向漂移的能量越大，故所需的反向电压越大）

       齐纳击穿（掺杂浓度高时）：掺杂浓度高时，电阻低，PN结窄。加大反向电压，电场强度高（PN结窄，正负离子浓度大，电场强度比PN结宽的高），能直接拉开共价键。（温度越高，电子-空穴对的结合能量越小，故所需的反向电压越小）

       实际上，一般通过齐纳击穿的特性制作稳压二极管，可以通过控制浓度来控制反向击穿电压大小。

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2.5PN结的电容效应

2.5.1扩散电容

       当PN结处于正向偏置，多子将向对方区域扩散，它们不会在耗尽区全部复合，穿过PN结未被复合的载流子进入P、N区。随电压越大，P、N区的所含电荷越多，相当于电容。

2.5.2势垒电容

       当PN结处于反向偏置，空间电荷区的宽度更容易受到电压的影响，储存的电荷受电压影响，相当于电容。

2.5.3结电容

       结电容就是同时考虑扩散电容和势垒电容，处于正偏时，结电容较大，重要决定于扩散电容；处于反偏电容时，结电容较小，重要决定于势垒电容。