1.3 PN结二极管

PN 结二极管的特性与工作原理

在本教程中，我们将学习PN 结二极管，特别是其特性和工作原理。这种理解将为深入探索半导体电子学的各个方面奠定更好的基础。

引言

PN 结是半导体技术在电子学中提供的一个不可或缺的结构，是电子学中最重要的构建模块之一。双极型晶体管、结型场效应晶体管（JFET）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、发光二极管（LED）以及模拟或数字集成电路（IC）等电子元件都依赖于半导体技术。

半导体二极管的一个重要特性是它只允许电子单向流动，因此它可以用作交流电的整流器。半导体二极管的基本工作原理是理解所有半导体二极管的基础。

二极管可以被视为一种简单的双极型半导体器件。二极管的特性可以通过其在施加电压时产生的电流图来表示。理想二极管可以通过其电流-电压曲线完全区分。

它只允许电流在正向流动，并有效地阻断反向电流。重要的是要认识到，半导体完全是一种单晶材料，由两种不同类型的半导体块组成。

一块掺杂了三价杂质原子以形成P区，该区域以空穴作为多数载流子并充当受主；另一块掺杂了五价杂质原子以形成N区，该区域以电子作为多数载流子并充当施主。

划分N区和P区的边界被称为冶金结。每一块的掺杂浓度在整个区域内是相同的，但在结处会突然发生变化。当两块靠近时，电子和空穴会从高浓度区域向低浓度区域扩散。

在扩散过程中，N区的电子向P区扩散，而P区的空穴向N区扩散。当空穴进入N区时，它们会与施主原子复合。同时，施主原子会接受额外的空穴并成为带正电的静止施主原子。

从N区扩散到P区的电子会与P区的受主原子复合。同时，受主原子会接受额外的电子并成为带负电的静止受主原子。

因此，在N侧的结处会产生大量带正电的离子，而在P侧的结处会产生大量带负电的离子。

N区和P区内的正负电荷离子在结附近的空间中感应出电场。将这两个区域合并，电场较小且自由载流子密度等于净掺杂密度的区域可以被称为空间电荷区。

它也可以被称为准中性区。本质上，所有电子和空穴都被电场从自由空间电荷区扫出。自由移动载流子耗尽的区域被称为耗尽区。

假设耗尽区围绕冶金结具有明确的边界。它还假设耗尽区与自由空间电荷区之间的过渡是突然的。

耗尽区包含N侧的预设正离子和P侧的预设负离子。耗尽层的宽度与每个区域中掺杂剂的浓度成反比。

耗尽区内的电场产生一种反作用力，反对电子和空穴因耗尽区内带电离子的影响而扩散。这种反作用力通常被称为势垒电势。硅的典型势垒电势为0.72伏特，锗为0.3伏特。

当电场和势垒电势相互平衡时，就达到了平衡状态，这导致在耗尽层两侧产生了电势差Vo。净接触电势差取决于材料类型，对于N型比P型更高。

在热平衡状态下，势垒电势为N侧的电子提供了比P侧更低的电势能。由于导带和价带位置相对于费米能级在P区和N区之间发生变化，能量带在自由空间电荷区发生弯曲。

在这种平衡状态下没有电流传导，电子和空穴的扩散电流和漂移电流相互抵消。内建势垒电势保持了N区的多数载流子与P区的少数载流子之间的平衡，以及P区的多数载流子与N区的少数载流子之间的平衡。

内建势垒电势也可以被估计为P区和N区本征费米能级之间的差异。

PN 结二极管是一种可以用于整流器、逻辑门、稳压器、开关器件、电压依赖型电容器以及光电子学中的光电二极管、发光二极管（LED）、激光二极管、光探测器或太阳能电池的二极管。

PN 结二极管的工作原理

如果对PN 结施加外部电势，它将改变P区和N区之间的电势。这种电势差可以改变多数载流子的流动，从而使PN 结成为电子和空穴扩散的机会。

如果施加的电压减小了耗尽层的宽度，则认为二极管处于正向偏置状态；如果施加的电压增加了耗尽层的宽度，则认为二极管处于反向偏置状态。如果耗尽层的宽度没有改变，则处于零偏置状态。

• 正向偏置：外部电压降低了内建势垒电势。
• 反向偏置：外部电压增加了内建势垒电势。
• 零偏置：没有施加外部电压。

没有外部电压时的PN 结二极管

在零偏置或热平衡状态下，势垒电势为P侧的空穴提供了比N侧更高的电势能。如果将二极管的端子短路，P侧的少数载流子（空穴）中具有足够能量克服势垒电势的那部分会跨越耗尽层。

因此，借助空穴，电流开始在二极管中流动，这被称为正向电流。同样，N侧的空穴会向相反方向跨越耗尽层，由此产生的电流被称为反向电流。

势垒电势反对电子和空穴跨越结的迁移，并允许少数载流子漂移跨过PN 结。因此，当结两侧的多数载流子浓度相等，且少数载流子向相反方向移动时，建立了平衡状态。

电路中没有净电流流动，结被认为处于动态平衡状态。通过提高半导体的温度，少数载流子不断产生，从而泄漏电流开始增加。通常，由于没有外部电源连接到PN 结，因此没有电流传导。

正向偏置的PN 结二极管

当施加外部电压时，P区和N区之间的电势差会发生变化。当电源的正极连接到P侧，负极连接到N侧时，二极管被认为处于正向偏置状态。正向偏置降低了PN 结的电势。

N区和P区的多数载流子被吸引到PN 结，随着多数载流子的扩散，耗尽层的宽度减小。外部偏置导致P区和N区以及耗尽层的费米能级发生偏离平衡状态的错位，从而在与内建电场相反的方向上感应出电场。

耗尽层中存在两个不同的费米能级，这代表了一种准平衡状态。二极管中存储的电荷量Q与二极管中流动的电流I成正比。

随着正向偏置的增加超过内建势垒，在某个特定值时，耗尽区变得非常薄，使得大量多数载流子能够跨越PN 结并传导电流。在达到内建势垒之前的电流被称为零电流或膝点电流。

正向偏置二极管特性

随着施加的外部正向偏置的增加，耗尽层的宽度变薄，PN 结二极管的正向电流在正向I-V特性曲线的膝点之后急剧增加。

最初，由于接触电势和相关电场的存在，存在少量被称为反向饱和电流的电流。当电子和空穴自由跨越结时，会产生扩散电流，其方向与反向饱和电流相反。

施加正向偏置的净结果是将势垒电势的高度降低eV的量。PN 结二极管中的多数载流子电流以eV/kT的指数因子增加。因此，总电流为I = Is * exp(eV/kT)，其中Is为常数。

进入N区和P区的多余自由多数载流子（空穴和电子）分别作为少数载流子，并与N区和P区的本地多数载流子复合。这种浓度随后随着距离PN 结的增加而降低，这一过程被称为少数载流子注入。

PN 结二极管的正向特性是非线性的，即不是直线。这种正向特性表明，在PN 结的运行过程中电阻不是恒定的。PN 结二极管正向特性的斜率会迅速变得非常陡峭。

这表明在正向偏置的结二极管中电阻非常低。正向电流的值与外部电源成正比，与结二极管的内部电阻成反比。

对PN 结二极管施加正向偏置会导致结二极管的低阻抗路径，允许传导大量电流，这种电流被称为无穷大电流。这种大电流在施加少量外部电势后，会在正向特性曲线的膝点以上开始流动。

结两端或N区和P区之间的电势差由耗尽层的作用保持恒定。二极管能够传导的最大电流由负载电阻限制，因为当二极管传导的电流超过其常规规格时，过大的电流会导致热量的散失，并且可能会严重损坏器件。

PN 结二极管的反向偏置特性

当电源的正极连接到N侧，负极连接到P侧时，二极管被认为处于反向偏置状态。在这种连接方式中，多数载流子被各自的电池端子吸引，远离耗尽层。

N侧的费米能级低于P侧的费米能级。正极将N侧的电子吸引远离结，负极将P侧的空穴吸引远离结。因此，势垒电势的宽度增加，阻碍了N侧和P侧多数载流子的流动。

自由空间电荷层的宽度增加，从而PN结处的电场增强，PN结二极管表现为电阻。然而，二极管作为电阻的时间非常短暂。在PN结处不会发生多数载流子的复合，因此没有电流的传导。

在PN结二极管中流动的电流是小的漏电流，这是由于在耗尽层中产生的少数载流子或漂移过PN结的少数载流子引起的。最终结果是，耗尽层宽度的增加呈现出高阻抗路径，起到绝缘体的作用。

在反向偏置条件下，随着施加的外部电压增加，PN结二极管中没有电流流动。然而，由于少数载流子引起的漏电流会在PN结二极管中流动，其值可以用微安来测量。

随着施加到PN结二极管的反向偏置电势增加，最终会导致PN结反向击穿，二极管电流由外部电路控制。反向击穿取决于P区和N区的掺杂水平。

随着反向偏置的进一步增加，PN结二极管因电路过热而短路，最大电路电流在PN结二极管中流动。

反向偏置二极管的特性

PN结二极管的伏安特性

在结型二极管的电流-电压特性中，从图中的第一象限可以看出，如果施加到二极管的输入电压低于阈值电压（Vr），正向偏置下的电流非常低。阈值电压也被称为开启电压。

一旦正向偏置输入电压超过开启电压（锗二极管为0.3伏特，硅二极管为0.6-0.7伏特），电流会急剧增加，因此二极管表现为短路。

二极管的反向偏置特性曲线如上图的第四象限所示。在反向偏置下，电流很低，直到达到击穿电压，二极管表现为开路。当反向偏置输入电压达到击穿电压时，反向电流急剧增加。

PN二极管的理想与实际特性

对于理想特性，整个PN结二极管中的总电流是恒定的。电子和空穴电流是连续函数，并且在整个二极管中保持恒定。

PN结二极管的实际特性会随着施加到结上的外部电势而变化，从而改变二极管的特性。在正向偏置下，二极管表现为短路；在反向偏置下，二极管表现为开路。

总结

• 半导体的性质介于导体和绝缘体之间。
• 常用的半导体材料是硅。
• 半导体中的载流子包括电子和空穴。
• 半导体中的载流子可以在整个器件中自由移动，因此被称为移动载流子。
• 空穴是带正电的粒子，电子是带负电的粒子。
• 载流子负责传导电流。
• 半导体分为两种类型：本征半导体和掺杂半导体。
• 本征半导体是最纯净的半导体，因为它不含任何杂质。
• 掺杂半导体包含称为掺杂剂的杂质，这些杂质改变了半导体的电学性质。
• 掺杂半导体分为两种类型：N型和P型。
• N型杂质被称为施主，因为它们以电子作为多数载流子。
• P型杂质被称为受主，因为它们以空穴作为多数载流子。
• PN结是通过将N型和P型半导体连接到同一晶体中形成的。
• PN结二极管是一个双端器件，其特性取决于施加到PN结二极管的外部电势的极性。
• N型和P型半导体的结处没有载流子，因此该区域被称为耗尽区。
• 耗尽区的宽度会随着外部施加的电势而改变。
• 当没有外部电势施加到PN结时，这种情况被称为零偏置。硅二极管的结电势为0.6V - 0.7V，锗二极管为0.3V。
• 当结在正向偏置时，多数载流子被吸引到结处并在结处得到补充。在这种情况下，耗尽区的宽度减小，随着外部电势的增加，二极管表现为短路，允许最大电流通过。
• 当结二极管在反向偏置时，多数载流子被各自的端子吸引，远离PN结，从而避免了电子和空穴在结处的扩散。由于少数载流子在结处引起的少量电流被称为漏电流。这种小电流被称为漂移电流。当反向偏置电势进一步增加时，二极管表现为开路，从而阻止电流通过。