2022年PN结及半导体基础知识 .pdf

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1、什么是 PN 结及半导体基础知识在我们的日常生活中，经常看到或用到各种各样的物体，它们的性质是各不相同的。有些物体，如钢、银、铝、 铁等，具有良好的导电性能，我们称它们为导体。相 反，有些物体如玻璃、 橡皮和塑料等不易导电，我们称它们为绝缘休(或非导体 )。还有一些物体，如锗、硅、砷化稼及大多数的金属氧化物和金属硫化物，它们既不象导体那样容易导屯，也不象绝缘体那样不易导电，而是介于导体和绝缘体之间，我们把它们叫做半导体。绝大多数半导体都是晶体，它们内部的原子都按照一定的规律排列着。因此，人们往往又把半导体材料称为晶体，这也就是晶体管名称的由来(意思是用晶体材料做的管子)。物体的导电性能常用电阻

2、率来表示。所谓电阻率，就是某种物体单位长度及单位截面积的体积内的电阻值。电阻率越小，越容易导电；反之，电阻率越大，越难导电。导体、绝缘体的电阻率值随温度的影响而变化很小。但温度变化时，半导体的电阻率变化却很激烈；每升高1，它的电阻率下降达百分之几到百分之几十。不仅如此，当温度较高时，整体电阻甚至下降到很小，以致变成和导体一样。在金属或绝缘体中，如果杂质含量不超过干分之一，它的电阻率变化是微不足道的。但半导体中含有杂质时对它的影响却很大。以锗为例，只要含杂质一千万分之一，电阻率就下降到原来的十六分之一。锗是典型的半导体元素，是制造晶体管的一种常用材料（注：当前的半导体元器件生产以硅Silicon

3、 材料为主）。现以锗为例来说明如何会在半导体内产生电流、整流性能和放大性能我们知道，世界上的任何物质都是由原了构成的。原子中间都有一个原子核和者围绕原子核不停地旋转酌电子。不同元素的原子所包含的电子数目是不同的。蔗原子的原子核周围有32个电子，围绕着原子核运动。原子核带有正电荷电子带有负电荷；正电荷的数量刚好和全部电子的负电荷数量相等，所以在平时锗原子是中性的。电子围绕原子核运动，和地球围绕太阳远行相似。在核的引力作用下，电子分成几层按完全确定的轨道运行，而且各层所能容纳的电子数日也有一定规律。如图所示：在锗原子核周围的32个电子组成四层环，围绕原子核运动。从里往外数，第一层环上有2个电子，其

4、余依次为8、18、4个电子。凡是环上的电子数为2、 8、18时这些环上的电子总是比较稳定的。若环上的电子数不等于以上各数时，这些环上的电子总是不太稳定。因此，锗原子结构中，第一、二、三层的电于是稳定的，只有第四层(即最外一 “ 层)的4个电于是不稳定的。因最名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - 外一层的电子没有填满到规定的数目。我们把最外一层的电子叫做价电子。一般来说，最外层有几个价电子，其原子价就为

5、几。锗的最外层有4个价电子，所以锗的原子价为4。受外界作用，环上的电子可以克服原子核的吸引力而脱离原子，自由活动成为自由电子。这些自由电子在电场力的作用下，产生空间运动，就形成了电流。可以想像，由于最外层的价电子离核比较远，所受引力最小，所以最容易受外界影响而形成自由电子。因此，从导电性能看，价电子是很重要的。我们所说的锗元素就是依靠它最外层的4个价电子进行导电的。锗晶体内的原子很整齐的排列着。各个原子间有相互排斥的力量，而每个原子除了吸引自己的价电子外，还吸引相邻原子的价电子。因此，两个相邻原子的价电子便成对地存在。这一对电子同时受这两个原子核的吸引，为它们所 “ 共有 ” 。这两个相邻原子

6、也通过这个电子对被联系在一起。这样，电子对就好像起了键(联结 )的 作用，我们叫它共价键。每一个锗原子以其4个价电子与其他4个锗原子的价电子组成4个共价键而达到稳定状态。在理想情况下，锗晶体中所有的价电子都织成了电子对，因此没有自由电子，这时锗晶体是不易导电的。但在外力作用下， 如受温度变化， 其中可能会有一个价电子脱离键的束缚，挣脱共价键而跳出来，成为自由电子。这时共价键中出现了一个空位，我们把这个空位叫做空穴。由于原子本身正电荷和负电荷相等，故原子失去了电子后，整个原子就带正电荷，称为正离子。正离子容易吸引相邻原子的价电子来填补，电子离开后所留下的空位，使相邻原子中又出现空穴，而这个新出现

7、的空穴，又可能为别的电子去填充。电子这样不断地填充空穴，就使空穴的位置不断地在原子问转移。空穴的转移，实际上也是电子(电荷 )的运动，所以也就形成电流，这叫做空穴流。而原来失去的屯子， 在晶体中运动， 形成了电子流。 为了便于叙述， 今后就认为空穴在运动，而且把它当作一个正电荷来看(实际上是空穴所在的原子呈现一个单位正电荷的电量)。由于空穴和电子都带有电荷，它们的运动都形成电流，所以就统称它们为载流子。一块不含有杂质的、品格完整的半导体叫做本征半导体。因为它品格完整， 如果有一个电子从共价键中释放出来，必定留下一个空众。所以本征半导体中电子和空众总是成对地出现，它们的数日相等，称为电子一空穴对

8、。在常温下，由于热运动的结果，在本征半导体中会产生一定数量的电子一空穴对，形成电子流和空穴流，总的电流是两者之和。 如没有外界电场作用，电子和空穴的这种运动是杂乱无章的，电子流和空穴流方向也是不定的，结果互相抵消，没有净电流出现。但在电场作用下，这种半导体两端就出现电压，电子向正端方向运动，空穴向负端方向运动，形成了定向电流，半导体内就产生电流了。本征半导体因电场作用而产生的导电现象就叫本征导电。通常，我们很少见到本征半导体，大多遇到的都是P 型半导体或N 型半导体。前面说过，半导体中加进了杂质，电阻率就大大降低。这是因为加进杂质后，空穴和电子的数目会大大增加。例如，在锗晶休中掺入很少一点三价

9、元素铟，由于铟的价电子只有三个，渗入锗晶体后，它的三个价电子分别和相邻的三个锗原子的价电子组成共价键，而对相邻的第四个锗原子，它没有电于拿出来和这个锗原子“ 共 有” 了，这就留下了一个空穴(见图 1一3(c)。因为掺入了少量的杂质铟，就会出现很多空穴；这是因为即使是少量的，里面含有的原子数目却不少。杂质半导体中空穴和电子数目不相等，在电场作用下，空穴导电是主要的，所以叫空穴型半导体或者说是 P 型半导体。换句话说，P 型或空穴型半导体内是有剩余空穴的，掺入的杂质提供了剩余空穴。在P 型半导体中，空穴是多数，所以称空穴为多数载流子；电子数目少，就叫少数裁流子。渗入的杂质能产生空穴接受电子，我们

10、叫这种杂质为受主杂质。如果把五价元素砷掺入锗晶体中，砷原子中有5个价电于，它和四个锗原子的价电子组成共价键后，留下一个剩余电子，这个剩余电子就在晶体中到处游荡，在外电场作用下形成定向电子流。掺入少量的砷杂质就会产生大量的剩余电子， 所以称这种半导体为电子型半导体或N 型半导体。 在这种半导体中有剩余电子，这时电子是多数载流子，而空穴是少数载流子。因为砷是施给剩余电子的杂质，所以叫做施主杂质。如果没有外电场的作用，不论N 型或 P 型半导体，它们的载流子运动是无规则的，因此，不会形成电流把一块 P型半导休和N 型半导体紧密联接在一起时(实际上只能用化学方法将两个原来独立的锗片合在一起) 就会发现

11、一个奇怪的现象，即在它们的两端加上适当的电压时，会产生单向导电观象。因为这时在它们的交界面上形成了一个所谓PN 结的结构，单向导电现象就发生在这一薄薄的P N 结中。 PN 结是晶体管的基础，它是由扩散形成的。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 我们知道， P 型半导体内空穴是多数载流子，即空穴的浓度大；而N 型半导体内电子是多数载流予，电子的浓度大。二者接触之后，由于在P 型区和 N 型区内电子浓

12、度不同， N 型区的电子多，就向P 型区扩散，扩散的结果如图14(b)所示。N 型区薄层I 中部分电子扩散到P型区去， 薄层 I 便因失去电于而带正电。另一方面，P 型区的空穴多，也会向空穴浓度小的N 型区扩散，结果一部分空穴从薄层I 向 P(型区扩散，使薄层带负电。电于和空穴的扩散是同时进行的，总的结果，P型区薄层流走了空灾，流进了电子，所以带负电，而N 型区的薄层I 流走了电子，流进了空穴，因而带正电，而且随着扩散现象的继续进行，薄层逐渐变厚，所带的电量也逐渐增加。不过，这种扩散现象不会无休止的进行下去；当扩散进行到一定程度后，薄层带了很多负电，从 N 型区向P 型区扩散的电子总数因电子受

13、到它的排斥不再继续增加；同样道理，从 P 型区向 N 型区扩散的空灾总数也不再增加。于是扩散似乎不再继续，而达到所谓“ 动态平衡状态” 。这时 PN 结也就形成了。所谓 PN 结，就是指薄层I 和所构成的带电结构。因为它能阻止电子和空穴的继续扩散，所以也叫阻挡层。它们之间的电位差一般称势垒或位垒。我们用图来阐明PN 结的单向导电性能。依照图示方法，将P型区接电池正极，N 型区接负极。向右调动电位器，使加到PN 结构端的电压逐颓增高，就会发现：当电压表读数增高时，电流表的读数也随之增大。此时，PN结的电阻很小，这种接法叫正向联结。若反过来，把P 型区接电池负极，而N 型区接正极，这时我们会发现：

14、把电压增高到几十伏，电流的指示只有几个或几十个微安，此时PN 结的电阻很大，反向电流很快就达到饱和不再增加了。这说明电流只能沿着一个方向流过 PN 结，这个现象就叫做单向导电。单向导电现象可以这样来解释；因为在 P 型区接电池正极而N 型区接负极时， 外加电压的方向刚好和PN 结势垒电压的方向相反，使薄层带的负电量和薄层I 带 的正电量减少， 因此削弱了PN 结的势垒， 于是在正电压的作用下，电子和空穴的扩散又可进行，N 型区的电子不断跑到P型区， P 型区的空穴也不断跑到N 型 区，正向电流也就产生了。而且，正向电压加得越高，PN 结势垒削弱得越厉害，扩散也就越容易进行，正向电流也就越大。当

15、 PN 结和电池反向连接时，外加电压起着增强PN 结势垒的作用，使薄层带的负电荷和薄层I 带的正电荷增加，扩散更无法进行。这时只有P 型区的少数教流子一电子和N 型区的少数我流子一空穴，受外加电压作用形成微弱的反向电流。而少数栽流子的数目不多，所以在反向电压只有零点几伏时，反向电流就达到饱和了。PN 结还有一个十分重耍的特性，即所谓反向击穿电压。当所加反向电压大到一定数值时，P N 结电阻会突然变得很小，反向电流会骤然增大，而且是无限地增大。这种现象叫P N 结的反向击穿。开始击穿时的电压数值叫反向击穿电压。它直接限制了PN 结用做整流和检波时的工作电压。总之，一个简单的PN 结具有单向导电的

16、特性，半导体收音机正是利用这一特性来进行整流和检波的。半导体二极管就是根据这一原理制成的。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - PN 结PN 结（ PN junction）采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将 P 型半导体 与 N 型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上 ,在它们的交界面就形成空间电荷区 称 PN 结。PN 结具有 单向导电性 。P 是 positive 的缩写， N 是 n

17、egative 的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P 型半导体，另一部分掺有施主杂质是 N 型半导体时，P 型半导体和N 型半导体的交界面附近的过渡区称为PN 结。 PN 结有同质结和 异质结 两种。用同一种 半导体材料 制成的PN 结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN 结叫异质结。 制造 PN 结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法。P 型半导体（ P 指positive ，带正电的） ：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴 ；N型半导体（ N 指 ne

18、gative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷 的 电离杂质。 在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P 型和 N 型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N 型半导体扩散，电子从N 型半导体向P 型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。P 型半导体一边的空间电荷是负离子，N 型半导体一边的空间电荷是正离子。

19、正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。在 PN 结上外加一电压，如果 P 型一边接正极，N 型一边接负极，电流便从P 型一边流向N 型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。如果 N 型一边接外加电压的正极，P 型一 边接负极， 则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN 结的单向导电性。PN 结加 反向电压 时 ，空间电荷区变宽， 区中电场增强。反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大。如果外电路 不能限制电流，则电流会大到将PN 结烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。基本的击穿机构有两种，即

20、隧道击穿（也叫齐纳击穿）和雪崩击穿 ，前者击穿电压小于6V，有负的温度系数，后者击穿电压大于6V，有正的温度系数。PN 结加反向电压时，空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变。根据 PN 结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管 。如利用 PN 结单向导电性可以制作整流二极管 、检波二极管和开关二极管 ，利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管 ；利用高掺杂PN 结 隧道效应 制作隧道二极管；利用结电容随外电压变化效应制作 变容二极管 。使半导体的光电效应 与 PN 结相结合还可以制作多种光电器件。如利用前向偏置异质结

21、的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管 与半导体发光二极管；利用光辐射对PN 结反向电流的调制作用可以制成光电探测器；利用光生伏特效应可制成 太阳电池 。此外，利用两个PN 结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子功能。PN 结是构成 双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代电子技术的基础。在二级管中广泛应用。PN 结的平衡态 ,是指 PN 结内的温度均匀、稳定,没有外加电场、外加磁场、光照和辐射等外界因素的作用,宏观上达到稳定的平衡状态. PN 结的形成在一块 本征半导体 的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

22、如下物理过程: 因浓度差 多子的扩散运动® 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成形成内电场 内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N 型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN 结。 PN 结的内电场方向由N 区指向 P 区。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。PN名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - -

23、- 结形成的过程可参阅图01.06。图 01.06 PN 结的形成过程（动画1-3）如打不开点这儿（压缩后的）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 P 区的电位高于N 区的电位称为加正向电压，简称正偏；PN 结 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01.07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

24、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。图01.07 PN 结加正向电压时的导电情况(动画 1-4),如打不开点这儿 （压缩后的）(2) PN 结加反向电压时的导电情况PN 结加反向电压时的导电情况如图01.08所示。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

25、的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。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。图01.08 PN 结加反向电压时的导电情况(动画 1-5),如打不开点这儿（压缩后的）PN 结的电容效应PN 结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容 CB ，二是 扩散电容 CD 。(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

26、示意图见图01.09。图 01.09 势垒电容示意图(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01.10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 结的击穿

27、特性：当反向电压增大到一定值时，PN 结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增加，这种现象称为PN 结的击穿，反向电流急剧增加时所对应的电压称为反向击穿电压，如上图所示，PN 结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种。1、雪崩击穿阻挡层中的 载流子漂移速度随内部电场的增强而相应加快到一定程度时，其动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来， 产生自由电子 空穴对新产生的载流子在强电场作用下，再去碰撞其它中性原子，又产生新的自由电子空穴对，如此连锁反应，使阻挡层中的载流子数量急剧增加，象雪崩一样。雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中，阻挡层宽，碰撞电离的机会较多，雪崩击穿的击穿电压高。2、齐纳击穿当 P

28、N 结两边掺杂浓度很高时，阻挡层很薄，不易产生碰撞电离，但当加不大的反向电压时，阻挡层中的电场很强， 足以把中性原子中的价电子直接从共价键中拉出来，产生新的自由电子空穴对，这个过程称为场致激发。一般击穿电压在6V 以下是齐纳击穿，在6V 以上是雪崩击穿。3、击穿电压的温度特性温度升高后，晶格振动加剧，致使载流子运动的平均自由路程缩短，碰撞前动能减小，必须加大反向电压才能名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - -

29、 - 发生雪崩击穿具有正的温度系数，但温度升高， 共价键中的价电子能量状态高，从而齐纳击穿电压随温度升高而降低，具有负的温度系数。6V 左右两种击穿将会同时发生，击穿电压的温度系数趋于零。4、稳压二极管PN 结一旦击穿后，尽管反向电流急剧变化，但其端电压几乎不变（近似为V(BR) ，只要限制它的反向电流，PN结 就不会烧坏，利用这一特性可制成稳压二极管，其电路符号及伏安特性如上图所示：其主要参数有：VZ 、Izmin 、 Iz 、 Izmax PN 结的电容特性：PN 结除具有非线性电阻特性外，还具有非线性电容特性，主要有势垒电容和扩散电容。1、势垒电容势垒区类似平板电容器，其交界两侧存储着数

30、值相等极性相反的离子电荷，电荷量随外加电压而变化，称为势垒电容，用 CT 表示。CT = - dQ/dV PN 结有突变结和缓变结，现考虑突变结情况 （缓变结参见 晶体管原理 ） ，PN 结相当于平板电容器，虽然外加电场会使势垒区变宽或变窄但这个变化比较小可以忽略，则 CT= S/L ，已知动态平衡下阻挡层的宽度L0，代入上式可得：CT 不是恒值，而是随V 而变化，利用该特性可制作变容二极管。2、 扩散电容多子在扩散过程中越过PN 结成为另一方的少子，当 PN 结处于平衡状态（无外加电压）时的少子称为平衡少子 可以认为阻挡层以外的区域内平衡少子浓度各处是一样的，当PN 结处于正向偏置时，N 区

31、的多子自由电子扩散到P 区成为P 区的非平衡少子，由于浓度差异还会向P 区深处扩散，距交界面越远，非平衡少子浓度越低，其分布曲线见 PN 结的伏安特性 。当外加正向电压增大时，浓度分布曲线上移，两边非平衡少子浓度增加即电荷量增加，为了维持电中性，中性区内的非平衡多子浓度也相应增加，这就是说，当外加电压增加时，P 区和 N 区各自存储的空穴和自由电子电荷量也增加，这种效应相当于在PN 结上并联一个电容，由于它是载流子扩散引起的，故称之为扩散电容 CD， 由半导体物理推导得CD=（ I + Is） p/VT 推导过程参见 晶体管原理 。当外加反向电压时I = Is ， CD趋于零。3、 PN 结电

32、容PN 结的总电容Cj 为 CT 和 CD 两者之和Cj = CT+CD ，外加正向电压 CD 很大，Cj 以扩散电容为主（几十pF到几千 pF） ，外加反向电压CD 趋于零， Cj 以势垒电容为主（几pF 到几十 pF 到） 。4、变容二极管PN 结反偏时， 反向电流很小， 近似开路， 因此是一个主要由势垒电容构成的较理想的电容器件，且其增量电容值随外加电压而变化利用该特性可制作变容二极管，变容二极管在非线性电路中应用较广泛，如压控振荡器、频率调制等。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - -

33、- - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - pn 结的工作原理1.2.1 PN 结的形成在一块本征半导体的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: 因浓度差多子的扩散运动? 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成形成内电场 内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P 型半导体和N 型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的 空间电荷区 称为 PN 结 。PN 结的内电场方向由N 区指向 P 区。在空间电荷区，由

34、于缺少多子，所以也称耗尽层 。PN 结形成的过程可参阅图01.06。图01.06 PN 结的形成过程（动画1-3）如打不开点这儿（压缩后的）1.2.2 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 P 区的电位高于N 区的电位称为加正向电压 ，简称 正偏 ；PN 结 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01.07所示。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - -

35、- - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - 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。图01.07 PN 结加正向电压时的导电情况(动画 1-4),如打不开点这儿（压缩后的）(2) PN 结加反向电压时的导电情况PN 结加反向电压时的导电情况如图01.08所示。外加的反向电压有一部分降落在PN 结区，方向与PN 结内

36、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。图01.08 PN 结加反向电压时的导电情况(动画 1-5),如打不开点这儿（压缩后的）1.2.3 PN 结的电容效应

37、PN 结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB，二是扩散电容CD。(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。势垒电容的示意图见图01.09。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - 图01.09 势垒电容示意图(2) 扩散电容 CD扩散电容

38、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01.10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。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -