PN结原理

ｊ≈ＣB。
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5.5 PN结的温度特性
PN结特性对温度变化很敏感，反映在伏安特性上即为：温度
升高，正向特性左移，反向特性下移。
i T
具体变化规律是：
•温度每升高 10℃，反向饱
－UBR 0 T u
和电流IS增大一倍。
•温度升高反向击穿电压降低
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当温度升高到一定程度时，由本征激发产生的 少子浓度有可能超过掺杂多子浓度，使杂质半导体 变得与本征半导体一样，这时PN结就不存在了。 因此，为了保证PN结正常工作，它的最高工作 温度有一个限制，对硅材料约为(150~200)℃，对锗 材料约为(75~100)℃。

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5.4 PN结的电容特性
Q dQ 或C 按电容的定义 C U dU

即电压变化将引起电荷变化, 从而反映出电容 效应。而ＰＮ结两端加上电压, ＰＮ结内就有 电荷的变化, 说明ＰＮ结具有电容效应。
PN结的电容效应势垒电容CB和扩散电容CD 两部分组成。
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(2) 扩散电容CD

扩散电容是PN结在正偏时, 多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而 产生的。
PN结正向偏置时，N区和P区形 成一定的非平衡载流子的浓度分 布。P区积累了电子，即存贮了 一定数量的负电荷；N区也积累 了空穴，即存贮了一定数即正电 荷。正向电压加大时，扩散增强， 致使在两个区域内形成了电荷堆 积，相当于电容器的充电；相反， 当正向电压减小时，扩散减弱， 造成两个区域内电荷的减少，这 相当于电容器放电。
N
P
N＋
(a)
(b )
如果P区和N区一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂 浓度小(轻掺杂)，则称为不对称结，用P+N或PN+表 示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂 区一边.
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5.2 PN结的单向导电特性
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PN结的单向导电性只有在外 加电压时才会表现出来
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PN结
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本章内容

5.1 PN结的形成 5.2 PN结的单向导电性 5.3 PN结的击穿特性 5.4 PN结的电容效应 5.5 PN结的温度特性
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P型半导体和N型半导体相结合——PN结 PN结是构造半导体器件的基本单元。其 中，最简单的晶体二极管就是由PN结构 成的。

(1) 势垒电容CB
势垒电容是由耗尽区的空间电荷区引起的。
当外加反向电压增大时，耗尽层变宽，空间电荷量增加，犹如电容 的充电。 当外加反向电压降低时，耗尽层变窄，空间电荷量减小，犹如电容 的放电。
W+△W W
耗尽层中存贮的 电荷量随外加电 压的变化而改变。 这一特性正是电 容效应，并称为 势垒电容，用CB 表示。
UD UT
1)
加正向电压时，UD只要大 于UT几倍以上，I D I S eU D /UT 加反向电压时，|UD|只要大于 UT几倍以上，则 ID≈–IS
PN结U-I特性曲线
UT热电势。室温下即T=300K时,UT=26mV
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5.3 PN结的击穿特性
当反向电压超过UBR后稍有增加时，反
向电流会急剧增大，这种现象称为 PN 结击穿，并定义 UBR 为 PN 结的反向击 穿电压。 电击穿 热击穿 PN 结 发 生 电 击 穿 的 机 理 可 以 分 为 两 种——雪崩击穿和齐纳击穿
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（一）雪崩击穿

在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗 尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速， 动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗 尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性 原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产 生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强 电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对。 如此链锁反应, 使反向电流迅速增大。这种击 穿称为雪崩击穿。
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综上所述：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。 即PN结具有单向导电特性。
关键在于耗尽层的存在
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PN结的伏安特性
I
伏安特性方程
ID U U BR B
O U
I D I S (e
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（二）齐纳击穿

在重掺杂的PN结中，耗尽区相对很窄，所以不大 的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当 反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内 中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电 子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称 为齐纳击穿或场致击穿。 一般来说，对硅材料的 PN 结， UBR>7V 时为雪崩 击穿； UBR <4V时为齐纳击穿； UBR介于4~7V时， 两种击穿都有。
（一）、PN结加正向电压 Ｐ－正, Ｎ－负。正向电压或正向偏置(简称正偏)
耗尽区
扩散运动大于漂移运动
多数载流子形成的扩 散电流起支配作用
正 向 电 流 IF
＋
外电场
内电场 U UB－U
－
少数载流子形成的漂 移电流方向相反，很 小，可忽略。
E
R
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PN结处于导通状态, 表现为一个很小的电阻
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P N

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在一块本征半导体在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 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
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5.1 PN结的形成
P N P
耗尽层 势垒区
空间电荷区 N
(a )
内电场 UB (b )
扩散运动：空间电荷区展宽 漂移运动：空间电荷区变窄
电 位 U 电 子 势 能
多子的扩散和少子漂移运动 达到动态平衡。 P区和N区的掺杂浓度相同对称结
qUB
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不对称PN结
耗尽区 耗尽区
P＋
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杂质半导体 N型半导体（N为Negative的字头，由于电子带负电而得此 名）：掺入少量杂质磷元素（或锑元素）的硅晶体（或锗晶 体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，磷 原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形 成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为 自由电子。于是，N型半导体就成为了含电子浓度较高的半 导体，其导电性主要是因为自由电子导电。[1] P型半导体（P为Positive的字头，由于空穴带正电而得此 名）：掺入少量杂质硼元素（或铟元素）的硅晶体（或锗晶 体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，硼 原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的 时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来 “填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导 体由于含有较高浓度的“空穴”（“相当于”正电荷），成 为能够导电的物质。
（二）、PN结加反向电压
将电源的正极接Ｎ区, 负极接Ｐ区——PN结加反 向电压或反向偏置(简称反偏) 耗尽区 PN 结 处 于 截 止 状 态 , 呈现出一个很大的电阻 (高达几百千欧以上)。
－ 内电场
外电场 U
＋ UB＋U
漂移电流大于扩散电 流，可忽略扩散电流
在一定的温度条件下， 由本征激发决定的少 E R 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IS。
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势垒电容随外加反向电压增大而增大； 扩散电容随正向电压增大而增大。
势垒电容和扩散电容都是非线性的电容
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PN结上的总电容Cj——结电容，是势垒电容与扩 散电容之和。
即Cj＝ＣB＋ＣＤ
一般说来, PN结正偏时, 扩散电容起主要作用, Ｃｊ ≈ＣＤ；当PN结反偏时, 势垒电容起主要作用, 即Ｃ
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发生击穿并不一定意味着PN结被损坏。 当PN结反向击穿时, 只要注意控制反向电 流的数值(一般通过串接电阻Ｒ实现), 不使 其过大, 以免因过热而烧坏PN结, 当反向电 压(绝对值)降低时, PN结的性能就可以恢复 正常。 稳压二极管正是利用了PN结的反向击穿特 性来实现稳压的, 当流过PN结的电流变化 时, 结电压基本保持不变。