1.2 PN结功能教程

在本教程中，我们将学习半导体电子学中最重要的概念之一——PN 结。尽管它主要与PN 结二极管的概念相关，有时也与晶体管相关，但PN 结是半导体电子学中的一个基础性主题。

因此，在本PN 结教程中，我们将讨论PN 结的一些基础知识，包括PN 结是如何形成的，PN 结的特性，以及其他许多相关方面。

引言

在讨论二极管、晶体管等半导体器件时，PN 结是其基础。例如，光导体等少数半导体器件是通过掺杂单一类型的杂质形成的。但这是一种特殊情况，大多数半导体器件需要同时掺杂两种类型的杂质。

PN 结的形成是通过在半导体晶体的一侧引入受主杂质（称为掺杂），而在另一侧掺杂施主杂质。这两种区域之间的界面被称为PN 结。

半导体电子学基础知识

半导体的电导率（例如硅或锗）取决于导带中电荷载流子的浓度。导电性取决于掺杂过程中掺杂剂的数量。

在室温下，通过每10⁵个硅原子中添加1个硼原子，硅的电导率可以提高10³倍。

N型半导体是通过在硅晶体中掺杂五价杂质（如锑）形成的，而P型半导体是通过在硅晶体中掺杂三价杂质（如硼）形成的。

锑和硼是掺杂过程中使用的关键半导体杂质，因此被称为“类金属”。N型和P型半导体本身都是电中性的。

PN 结是如何形成的？

PN 结是在单一半导体晶体中形成的，通过在晶体的一侧掺杂受主杂质原子，使其成为P型，而在另一侧掺杂施主杂质原子，使其成为N型。P型和N型相交的区域被称为PN 结。

在PN 结区域，N型材料中的电子会扩散到结处并与P型材料中的空穴复合。靠近结的P型材料区域会带负电，因为电子被空穴吸引。

当电子从N型区域离开时，它会带正电。因此，在结处，自由电子会扩散到P型区域，空穴会扩散到N型区域，这一过程被称为扩散。

夹在这两个区域之间的薄层被称为耗尽层，因为该区域的多数载流子被耗尽。PN 结的平衡状态是指在没有外部电势施加的情况下，PN 结的状态。

PN 结在电中性状态下的特性

这也可以被定义为零电压偏置条件。耗尽层的宽度非常薄，通常只有几千分之一毫米，电流无法通过二极管。

PN 结施加电势时的特性

根据耗尽层的宽度，会观察到不同的特性。如果正电势以这种方式施加，使得P型区域带正电，而N型区域带负电，那么空穴会向负电压移动。

同样，电子会向正电压移动并跨越耗尽层。在耗尽层中，P型的电荷密度由带负电的受主离子组成，因此N型的电荷密度变为正电。

势垒电势构成了PN 结中电荷载流子的分隔。为了使PN 结导通电流，必须由外部电势源克服这个势垒电势。

半导体二极管中PN 结和势垒电势的形成发生在PN 结半导体二极管的制造过程中。势垒电势的大小取决于用于制造PN 结二极管的材料。

硅PN 结半导体二极管的势垒电势比锗PN 结二极管的势垒电势更大。

PN 结

PN 结是通过将P型和N型结合在同一个半导体晶体中制造的。P型中的多数载流子是带正电的空穴，而N型中的多数载流子是带负电的电子。

PN 结两侧的总电荷必须相等且相反，以维持结周围的电中性条件，这是由于电子-空穴对的存在。P型和N型之间载流子多次复合的区域被称为耗尽层。

在平衡状态下，PN 结不会发生导电。PN 结的导电涉及多数载流子的扩散和少数载流子的漂移。PN 结中的电流传导物理上涉及导带和价带。

一旦提供外部电源，电子的流动发生在导带中，而空穴的流动发生在价带中。

在零电压偏置的平衡条件下，少数载流子的浓度（空穴和电子）会在内建电场E的作用下漂移。多数载流子的扩散需要跨越PN 结形成的势垒电势VB。

这意味着N型和P型的多数载流子至少需要达到qVB电子伏特（eV）的能量，才能跨越势垒并扩散到P型或N型区域。

电子从PN 结的N侧移动到P侧的空穴中并被湮灭，从而产生势垒电压。势垒电压的值在硅中约为0.6到0.7伏特，在锗中为0.3伏特，并且会随着不同半导体中掺杂水平的变化而变化。

相互接触的P型和N型半导体块本身没有可利用的特性。必须由外部电压源克服势垒电势，才能使PN 结导电。如果将一个电源连接，使得正极连接到P侧，负极连接到N侧。

负极向N型提供电子，使其向耗尽层扩散。同样，正极从P型中移除电子，从而产生向耗尽区扩散的空穴。

如果电池的电压足够大以克服势垒电压，那么N型和P型的多数载流子会结合并耗尽结区。因此，更多的载流子被复制并流向耗尽区，只要施加的电势大于势垒电势。

因此，多数载流子电流被传导并流向结区。在这个过程中，由于多数载流子的传导，PN 结被称为正向偏置。

如果将电池的极性反转，那么N型的多数载流子会被正极从PN 结吸引，而空穴会被负极从PN 结吸引。

随着施加电势的增加，耗尽层的宽度会增加，因此在耗尽层中载流子的复合不会发生。因此，没有电流的传导。在这个过程中，PN 结被称为反向偏置。

PN 结的内建电势

N型区域的多数载流子（即电子）可以跨越结，与P型区域的多数载流子（即空穴）复合。因此，由于三价杂质硼原子在价带中释放出带正电的空穴，P型区域会积累负的静电空间电荷。

而N型区域由于类似的原因会形成正的空间电荷。这个空间电荷被创造出来的区域被称为空间电荷区或耗尽区。由于在这个小体积中存在强大的电场，因此在热平衡状态下，自由载流子的密度可以忽略不计。

如果将P型和N型半导体靠近，会在耗尽层中形成一个势垒电势。事实上，PN 结的边界处会积累静电空间电荷，N型区域的正电荷和P型区域的负电荷会形成一个从N型指向P型的电场，从而阻止电子和空穴的扩散和进一步复合。

扩散被内建电场的形成所阻止。由于在PN 结两侧存在这种双层电荷，势垒电势在耗尽区内急剧变化，电势差Vd（称为扩散电势或内建电势）达到不可忽视的值。

电静势在整个晶体中，包括空间电荷区，都是恒定的，因为这种电势不仅考虑了电场，还考虑了载流子的浓度。由于载流子浓度的内建电势准确地补偿了电静势。

内建电势或扩散电势与两个未结合半导体的费米能级之差成正比：

$E = \frac{1}{q}(E_{Fp} - E_{Fn}) = \frac{kT}{q}\ln\left(\frac{N_A N_D}{n_i^2}\right)$

其中：

• E是零偏置结电压
• $\frac{kT}{q}$ 是室温下的热电压，为26毫伏
• $N_A$和$N_D$ 分别是受主原子和施主原子的杂质浓度
• n是本征浓度

半导体的内建电势或结电势等于热平衡状态下耗尽区内的电势差。由于热平衡意味着费米能级在整个PN 二极管器件中是恒定的。

因此，导带和价带的费米能级会向上或向下移动，并在耗尽层区域表现出平滑的变化。因此，在P型和N型区域之间存在一个电静势能差，等于 $qV_d$。

克服结电势所需的外部电势取决于工作温度以及半导体的类型。即使没有将外部电势施加到半导体上，由于电子-空穴对的存在，也会存在一定的势垒电势。

PN 结是在单一半导体上形成的，并且在半导体表面周围铺设了电气接触点，