PN结相关知识解析

P型半导体和N型半导体

P型半导体：空穴多，容易吸收电子。原子核电荷偏少，会形成负电荷;

多子为空穴，少子为电子。

N型半导体：电子多，电子容易挣脱。原子核电荷过多，会形成正电荷。

多子为电子，少子为空穴。

PN结与空间电荷区

1、PN结的构成

如图2-1，将一块P型半导体与N型半导体相结合后，构成PN结。P区与N区两块半导体之间形成了空间电荷区。(空间电荷区又称阻挡层、耗尽层、势垒区)

图2-1

2、空间电荷区的形成

因为P区与N区交界处电子和空穴的浓度不一，造成了各区的多子会向另外一区移动的扩散运动。

首先，内电场的方向是阻碍扩散运动的。其次，又吸引另外一区的少子来本区。此现象成为漂移运动。

(简单整理为：①多子才会发生扩散运动，电子从N区扩散至P区，空穴从P区扩散至N区。②少子才会发生漂移运动，空穴从N区漂移至P区，电子从P区漂移至N区。)

最终，漂移运动与扩散运动相平衡。P区、N区交界处的正负电荷趋于稳定，这块范围称为空间电荷区。

由于空间电荷的分布，PN结内部形成一个内电场，内电场方向如图2-2所示。(内电场又称自建电场)

图2-2

正向偏置与反向偏置

正向偏置

亦称正向导通状态。当外界施加一个电场给PN结，外加电场方向如图3-1所示。由于外加电场和内电场的方向相反，在外电场的作用下，内电场必定会被削弱，空间电荷区变窄，扩散运动增强，PN结内形成较大的扩散电流，称为正向电流IF。

图3-1

2.反向偏置

亦称反向截止状态。如图3-2所示，当外加电场的方向与内电场方向一致时，这无疑增强了内电场。使得空间电荷区变宽。减弱了多子的扩散运动，无法形成正向电流。但是，少子的漂移运动形成了反向电流，因为少子的数量很少，故反向电流IR非常小，通常是微安级别的。此时，PN结成高阻态。

图3-2

电导调制效应

由于个人工作原因，本人接触的都是电力二极管。区别于信息电子二极管，首先，其采用了垂直导电结构。另外，在P区与N区之间，增加了一块低掺杂N-区域。如图4-1所示。

图4-1

使用垂直导电结构可以使硅片通过电流的面积变大，提高二极管的通流能力。加入的N-区，因为掺杂浓度低，电阻率高，故可以承受很高的电压(N-区的厚度，直接决定了二极管的击穿电压)。因此N-区越厚，二级管可以承受的反向电压就越高。但是N-区的高电阻率，对于二极管的正向导通是不利的。

故利用电导调制效应来解决之。电流反向如图4-1所示。

当i较小时，电阻为N-区的欧姆电阻，此值为常数且较高。故管压降随着正向电流的增大而增大。

当i较大时，P区向N-区注入空穴。为了维持半导体的电中性，N-区的电子浓度也会上升。N-区的电子增多，其电阻率就会下降(电导率上升)。

这就是电导调制效应。

结电容

PN结的电荷量，根据外加电场的变化而变化，这种现象呈现电容效应，称为结电容CJ。结电容影响PN结的工作频率，在高速开关状态下，可能会导致PN结的单向导电性变差。结电容又可以分为势垒电容CB和扩散电容CD。三者关系如式5.1。

CJ=CB+CD——式5.1

势垒电容：此值大小与PN结的截面面积成正比，与空间电荷区厚度成反比。且此值只有在外加电路变化时，才起作用。外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。

扩散电容：此值只在正向偏置时起作用。正向偏置电压越高，非平衡少子越多。扩散电容越明显。

整理一下：

反偏时，势垒电容远远大于扩散电容。结电容约等于势垒电容;

正偏时，扩散电容远远大于势垒电容。结电容约等于扩散电容。

反向击穿

PN结具有一定的反向耐压能力。第四小节我们提到这个能力取决于N-区的厚度。但是当反向电压过大时，反向电流IR随即变大，破坏了反向截止的工作状态，这就是反向击穿。

反向击穿分为齐纳击穿和雪崩击穿。这两种击穿是可逆的，通俗来讲，就是可以靠外电路中的保护措施，将反向电流限制住，从而在反向电压降低后，PN结恢复到原来的状态。

还有一种击穿，是反向电流限制不住，导致PN结过热，直接烧毁，称为热击穿，热击穿不可逆。

齐纳击穿：一般发生在掺杂浓度大的二极管上，其空间电荷区窄。根据公式6.1可知，当空间电荷区很窄很窄(式6.1中的d)时，就算u不大，E也会很大，导致形成很大的电流，击穿PN结。

E=u/d——式6.1

(E为电场强度、u为反向电压、d为延场强E方向的距离)

雪崩击穿：一般发生在掺杂浓度小的二极管上。根据式6.1，反向电压u变大，电场强度变大，少子漂移的速度加快。撞坏共价键，从而产生了空穴和自由电子对。反向电流将增大，PN结击穿。

审核编辑：汤梓红