半導體器件和技術/PN結

將P型半導體與N型半導體製作在同一塊硅片上，在它們的交界面上形成PN結。PN結具有單向導電性。

PN結的形成

擴散運動：物質總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種由於濃度差而產生的運動稱為擴散運動。在P型半導體和N型半導體的交界面，兩種載流子的濃度差很大。故P區的空穴向N區擴散，N區的自由電子向P區擴散。擴散到N區的空穴與N區的自由電子複合，擴散到P區的自由電子與P區的空穴複合，使得交界面附近的多子濃度下降。P區出現負離子區，N區出現正離子區，它們不能移動，稱為空間電荷區，形成方向由N區指向P區的內電場。隨着擴散運動的進行，內電場增強，阻止擴散運動的進行。
漂移運動：載流子在電場力作用下的運動稱為漂移運動。空間電荷區形成後，在內電場的作用下，自由電子向N區移動，空穴向P區移動。

在無外電場和其他激發作用下，參與擴散運動的多子數目與參與漂移運動的少子數目相等，達到動態平衡，形成PN結。此時，空間電荷區具有一定的寬度，電位差為 $U_{\mathrm {ho} }$ ，電流為零。空間電荷區內，正、負電荷的電量相等。因此，當P區與N區雜質濃度相等時，負離子區與正離子區的寬度也相等，稱為對稱結；而當兩邊雜質濃度不同時，濃度高的一側的離子區寬度低於濃度低的一側，稱為不對稱PN結：兩種結的外部特性是相同的。

絕大部分空間電荷區內自由電子和空穴都非常少，在分析PN結特性時常忽略載流子的作用，而只考慮離子區的電荷，這種方法稱為「耗盡層近似」，故也稱空間電荷區為耗盡層。

PN結的單向導電性

在PN結兩端外加電壓會破壞原有的平衡狀態，PN結中會有電流流過。當外加電壓極性不同時，PN結會呈現出截然不同的導電性能，即呈現出單向導電性。

正向電壓

將電源的正極接到PN結的P端，將電源的負極接到PN結的N端，稱PN結外加正向電壓。此時外電場使空間電荷區變窄，削弱了內電場，使擴散運動加劇，漂移運動減弱。由於電源的作用，擴散運動將源源不斷地進行，從而形成正向電流，PN結導通。PN結導通時的結壓降只有零點幾伏，因而應在它所在的迴路中串聯一個電阻，以限制迴路的電流，防止PN結因正向電流過大而損壞。

反向電壓

將電源的正極接到PN結的N端，將電源的負級接到PN結的P端，稱PN結外加反向電壓。此時外電場使空間電荷區變寬，加強了內電場，阻止擴散運動的進行，而加劇了漂移運動的進行，形成反向電流，也稱為漂移電流。因為少子的數目極少，即使所有的少子都參與漂移運動，反向電流也非常小，所以在近似分析中常將它忽略不計，認為PN結外加反向電壓時處於截止狀態。

PN結的電流方程

PN結所加端電壓 $u$ 與流過它的電流 $i$ 的關係為

i=I_{\mathrm {s} }(e^{\frac {qu}{kT}}-1)

其中 $I_{\mathrm {s} }$ 為反向飽和電流， $q$ 為電子的電量， $k$ 為玻爾茲曼常數， $T$ 為熱力學溫度，將上式中的 $kT/q$ 用 $U_{\mathrm {T} }$ 取代，則得：

i=I_{\mathrm {s} }(e^{\frac {u}{U_{\mathrm {T} }}}-1)

常溫下，即 $T=300\mathrm {K}$ 時， $U_{\mathrm {T} }\approx 26\mathrm {mV}$ ，稱 $U_{\mathrm {T} }$ 為溫度的電壓當量。

PN結的伏安特性

當PN結外加正向電壓，且 $u\gg U_{\mathrm {T} }$ 時， $i\approx I_{\mathrm {S} }e^{\frac {u}{U_{\mathrm {T} }}}$ ，即i隨u按指數規律變化；當PN結外加反向電壓，且 $\left\vert u\right\vert \gg U_{\mathrm {T} }$ 時， $i\approx -I_{\mathrm {S} }$ 。PN結 $i$ 與 $u$ 的關係稱為PN結的伏安特性。其中 $u>0$ 的部分稱為正向特性， $u<0$ 的部分稱為反向特性。

當反向電壓超過一定數值 $U_{\mathrm {(BR)} }$ 後，反向電流急劇增加，稱之為反向擊穿。