PN结的形成及特性
02第二节 PN结解读
P
内建电场E
N
V
P
内建电场E
N
在忽略引线电阻，P区、N区体电阻时，即外加电压将全 部加在 PN结上，由于外加电压与内建电位差的极性相反，因 而阻挡层两端的电位差，由VB减小到(VB-V)。 结果： 阻挡层宽度减小，即 l < lo 两侧的离子电量减少，扩 散运动增强，打破了扩散和漂移的动态平衡，此时 ID > IT 这 样P区中多子空穴将源源不断的通过阻挡层扩散到N区， 成为N 区中的非平衡少子，建立如图所示的少子浓度分布图。
X
3、阻挡层宽度：
设、PN结的截面积为 S ，则阻挡层在 P区一边的负电荷量为： N区一边的正电荷量为：
Q qSxp N a
Q qSxn N d
它们的绝对值相等，因而有：
xn Na xp Nd
此式表明，阻挡层任一侧宽度与该侧掺杂浓度成反比。 或者说，阻挡层主要向低掺杂一侧扩展。
例如 P N 结，即P区的Na大于N区的Nd 故
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
例如、硅ＰＮ结的IS 约为10-9…10-16A 即 锗ＰＮ结的IS 约为 即
1107 nA
106 108 A
二、动态平衡下的PN结：
1、PN结形成过程（阻挡层形成的物理过程）：
接触面 P型 N型
空间电荷区 P区
N区
内建电场E 设 ID 为P区流向 N区的扩散电流 IT 为N区流向P区的漂移电流
由于浓度差的影响，载流子将产生扩散运动。随着多子 扩散运动的进行，紧靠在接触面两侧留下被电的离子电荷量 增多，空间电荷 区 增宽，其间的内建电场E相应增大。 结果：是多子扩散减弱，同时少子漂移增强，直到扩散 和漂移运动达到动态平衡。
式中
PN结的形成及特性
P
N
6
第 3章 二极管及其基本电路
(2) 在浓度差的作用下，空穴从 P区向N区扩散。
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ + + +++
漂移运动
空间电荷区， 也称耗尽层。
P 型半导体
内电场E N 型半导体
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ + + +++
第 3章 二极管及其基本电路
3.2 PN结的形成及特性
P是指的P型半导体，N指的是N型半导体，当一块纯净的半 导体一半掺杂为N型，一半掺杂为P型，那么在两个区域之间 就形成了一个PN结（结是指的N型半导体和P型半导体的交接 的介面上），首先看一下PN结是怎么形成的？
3.2 PN结的形成及特性
在同一片半导体基片上，分别制造 在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散， 体和 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。 交界面处就形成了
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － P 型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N 型半导体
1.PN 结正向偏置 1.
变薄 － + + + + 内电场
VF
内电场被削弱， 内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。 较大的扩散电流。
+ P
－ － －
_ N
IF
外电场
R
2.PN 结反向偏置 2. 变厚
－ + + + + 内电场 外电场 内电场被被加强，多子 内电场被被加强， 的扩散受抑制。 的扩散受抑制。少子漂 移加强， 移加强，但少子数量有 限，只能形成较小的反 向电流。 向电流。 +
iD
V( BR )
vD
4. PN结的击穿特性
击穿并不意味着PN结烧坏。 击穿并不意味着 结烧坏。 结烧坏
雪崩击穿： 随着反向电压增大， 电场也增大， 雪崩击穿 ： 随着反向电压增大 ， 电场也增大 ，
电子和空穴在强电场加速下获得很大的动能， 电子和空穴在强电场加速下获得很大的动能 ， 与硅原子相撞时，使价电子脱离共价键的束缚， 与硅原子相撞时， 使价电子脱离共价键的束缚 ， 产生新的电子空穴对， 产生新的电子空穴对 ， 新的电子空穴对又产生 碰撞，又产生新的电子空穴对， 碰撞 ， 又产生新的电子空穴对 ， 这种连锁反应 使载流子数目增加，从而电流增加。 V 击穿电压>6V 击穿电压 译音)， 齐纳击穿(Zener译音 ，又称隧道击穿：杂 译音 又称隧道击穿： 质浓度很高时， 结的阻挡层很薄 结的阻挡层很薄， 质浓度很高时，PN结的阻挡层很薄，虽然反 向电压只有几伏，但电场强度却很大， 向电压只有几伏 ， 但电场强度却很大 ， 强电 场可把共价键中的电子拉出， 场可把共价键中的电子拉出 ， 新产生的电子 空穴使PN结反向电流激增 。 击穿电压 结反向电流激增。 空穴使 结反向电流激增 击穿电压<6V
PN结的形成及其特性
新型结构研究
要点一
异质结结构研究
异质结结构能够提高pn结的电子输运性能和稳定性，是当 前研究的热点之一。通过深入研究异质结的能带结构和界 面特性，有望实现更高效的电子传输和控制。
要点二
纳米结构研究
纳米技术在pn结中的应用具有巨大的潜力，通过将pn结纳 米化，可以进一步增强其物理特性和性能。例如，利用纳 米线或纳米薄膜构建pn结，可以实现更快的响应速度和更 低的能耗。
应用领域拓展
物联网领域
随着物联网技术的快速发展，pn结在物联 网领域的应用前景广阔。例如，在传感器、 无线通信和智能家居等领域，pn结可以发 挥重要作用。通过优化pn结的性能和稳定 性，有望推动物联网技术的进一步发展。
新能源领域
新能源领域是当前社会发展的重要方向， pn结在太阳能电池、风力发电和燃料电池 等领域具有广泛应用。通过改进pn结的能 效和稳定性，有助于推动新能源技术的进步
传感器
温度传感器
温度传感器是利用pn结的电压随温度变 化的特性来测量温度的装置。通过测量 pn结的电压值，可以推算出被测物体的 温度。
VS
气体传感器
气体传感器是利用不同气体对pn结的导 电性能产生不同影响的特性来检测气体的 装置。通过测量pn结的电流值，可以判 断出被测气体是否存在以及其浓度大小。
pn结的特性
电学特性
正向导通特性
在正向电压作用下，空穴从P区流向N 区，电子从N区流向P区，形成正向电
流。
整流特性
pn结具有单向导电性，即正向导通， 反向截止。
反向截止特性
在反向电压作用下，空间电荷
当反向电压增大到一定值时，会发生 电击穿，电流急剧增大。
和可持续发展。
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最新第二章-PN结
漂移电流大于扩散电
－
内电场
外电场 U
＋
流，可忽略扩散电流
UB＋U 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。
《半导体器件》中国计量学院光电学院
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。
第二章-PN结
一、PN结的形成 二、PN结的单向导电性 三、PN结的击穿特性 四、PN结的电容效应 五、 PN结的隧道效应
《半导体器件》中国计量学院光电学院
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。
PN
异质结、同质结
《半导体器件》中国计量学院光电学院
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。
关键在于耗尽层的存在
《半导体器件》中国计量学院光电学院
PN结的伏安特性
UD
I
伏安特性方程 ID IS(eUT 1)
ID
UBR U B
O
U
加正向电压时，UD只要大
于UT几倍以上，IDISeUD/UT
pn结的特性
pn结的特性PN结（P-N结）是由半导体材料中的p类（正极）和n类（负极）材料组成的基本构成单元，它们之间形成的接口称为PN结，是整个半导体器件中最重要的结构。
PN结主要用于传输信号，它是半导体器件在信号传输、电路编程、芯片技术中最重要的结构。
PN结具有如下特点：1、通特性优良：PN结由两个互补的半导体材料构成，当外加电压时，p和n两型半导体材料之间形成电势峰，极导电能力极强，对微弱电流的电压响应性能好，所以它可以具备很高的信号放大系数、微弱电流放大系数以及低电阻和静态漏电流。
2、受性能优良：PN结的电压接受性能优良，只要外加的脉冲电压超过介入压，就会发生导通现象，所以它是放大器和敏感器的重要元件，也可以用于制作抗干扰的电路，可以有效抑制噪声抗干扰能力强，电压接受性优良，所以，在微电子电路中，它是十分重要的元件之一。
3、压压控性优良：PN结具有优良的电压压控性，只要外加的电压超过介入压，就会自动导通，而当电压低于介入压时，会自动断开导通状态，所以它是制作自动控制电路的必备元件，在通用电路和微机控制电路中，它都表现出优良的性能。
4、干扰性能优良：PN结的抗干扰性能优良，因为它的导通电流较小，而且它产生的介入电压较高，所以它可以抑制噪声，而且它的导电压变化小，抗干扰性强，能有效的抑制外界噪声对电路的影响，因此，在电路中应用非常广泛，可以提高系统的可靠性。
PN结是整个半导体器件中最重要的结构，它具有导通特性优良，接受性能优良，电压压控性优良，以及抗干扰性能优良的特点，在电路中应用非常广泛，可以提高系统的可靠性。
同时，它在信号传输、电路编程、芯片技术中也扮演着重要角色。
因此，了解PN结的特性对于半导体技术开发及应用非常重要，可以为学习和研究半导体技术提供有效帮助。
简述pn结的形成及原理
简述pn结的形成及原理PN结是半导体器件中最基本的元件之一，它的形成和原理是半导体器件研究的重要内容。
PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结，其中P型半导体和N型半导体的材料类型不同，分别为正型和负型。
PN结的形成是通过P型半导体和N型半导体的材料接触，通过特殊的生长工艺实现的。
PN结的形成PN结的形成是通过化学气相沉积、离子注入、分子束外延等方法实现的。
其中，离子注入是最常用的方法之一。
离子注入是将离子束注入半导体材料中，使半导体产生离子损伤和离子掺杂，从而改变半导体的导电性质。
将P型半导体和N型半导体进行离子注入，使两者接触处形成PN结。
PN结的原理PN结的原理是基于半导体的禁带理论和扩散理论。
在P型半导体中，由于材料中掺杂的杂质原子具有自由电子，因此带正电荷。
在N型半导体中，材料中掺杂的杂质原子缺少电子，因此带负电荷。
当P型半导体和N型半导体接触时，由于两种材料中的杂质原子浓度不同，形成了电子浓度梯度和空穴浓度梯度。
在电子和空穴的扩散作用下，电子从N型半导体向P型半导体扩散，空穴从P型半导体向N型半导体扩散。
这种电子和空穴的扩散导致了电荷的重新组合，从而形成了电荷屏障。
电荷屏障阻碍了电子和空穴的扩散，形成了PN结。
PN结的特性PN结具有整流特性，即只允许电流在一个方向通过。
当PN结处于正向偏置状态时，即P型半导体连接正极，N型半导体连接负极时，电子和空穴向PN结扩散，形成的电荷屏障变低，电流可以通过PN 结。
当PN结处于反向偏置状态时，即P型半导体连接负极，N型半导体连接正极时，电子和空穴向外扩散，形成的电荷屏障变高，电流无法通过PN结。
PN结的应用PN结广泛应用于半导体器件中，如二极管、光电二极管、场效应管等。
其中，二极管是最基本的PN结器件之一，它具有整流特性，可以将交流电转换为直流电。
光电二极管是PN结的一种，它可以将光能转换为电能，广泛应用于光电传感器、光通信等领域。
场效应管是一种三极管，它由PN结、金属栅和漏极组成，具有放大作用，广泛应用于放大器、开关电路等领域。
PN结的形成与特性
PN结的形成当P型半导体和N型半导体接触后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。
这样P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。
由于扩散运动，在P区和N区的接触面就产生正负离子层。
N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子。
通常称这个正、负离子层为PN结。
在PN结的P区一侧带负电，N区一侧带正电。
PN结便产生了内电场，内电场的方向是从N区指向P区。
内电场对扩散运动起到阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至达到平衡，在界面处形成稳定的空间电荷区。
如下图：
PN结的特性a PN结的正向导通性当P-N结正向连接时，即P型半导体区域接到电池的正极，N型半导体区域接到电池的负端。
P-N结正向电阻很小，通过P-N结的正向电流很大，这是由于外加电池再P-N结中所产生的电场方向相反，阻挡层厚度减小。
P区的空穴和N
区的电子再这个外加的电场的吸引下不断地流过交界处，使它的电阻大大降低电流很容易通过。
若外加电压继续上升，则自建电场被减弱和抵消，所以正向电流随着外加正向电压的增加而逐渐上升。
b PN结的反向截止性当P-N结反向连接时，P区接电池负端，N区接电池正端，P-N结呈现很大的电阻，通过P-N结中的电流很小。
这是由于外加电池在P-N结中所产生的电场方向用P-N结自建电场方向相同。
阻挡层变厚，加强了电场阻止电子和空穴流通的作用，电阻大大增强，电流很难流过。
这就是反方向连接的电流很小的原因。
模电课件PN结的形成及特点
目 录
• 引言 • pn结的形成 • pn结的特性 • pn结的应用 • 结论
01 引言
主题简介
pn结的形成
当P型半导体和N型半导体紧密接触 时，由于电子和空穴的扩散作用，会 在接触面形成一个特殊的区域，即 pn结。
pn结的特点
具有整流特性，即正向导通、反向截 止，此外还具有电容效应和击穿特性 。
能带
半导体的能带分为导带、 价带和禁带，禁带宽度较 小。
pn结的形成过程
01
02
03
04
掺杂
在半导体中掺入不同性质的杂 质，形成n型或p型半导体。
电场
在n型和p型半导体之间形成 电场。
载流子
在pn结附近，由于电场的作 用，n型半导体的电子和p型 半导体的空穴会向对方扩散。
平衡状态
当电子和空穴在对方区域内达 到平衡状态时，pn结就形成
了。
03 pn结的特性
正向偏置下的pn结
01
02
03
04
正向偏置下的pn结具有 低阻抗特性，电流可以 顺利通过。
正向偏置下，pn结的电 压降较小，约为0.7v左 右。
正向偏置时，pn结的电 流随电压的增加而线性 增加。
正向偏置下，pn结的功 率损耗较小，适用于低 功耗应用。
反向偏置下的pn结
01
05 结论
本章重点回顾
PN结的形成
PN结的应用
PN结是由P型半导体和N型半导体在 一定条件下接触形成的，其中P型半 导体中的多数载流子是空穴，N型半 导体中的多数载流子是电子。
PN结是电子器件中非常重要的元件， 广泛应用于二极管、晶体管等电子器 件中，用于实现电子信号的放大、整 流、检波等功能。
P N 结介绍
一、PN结的形成 PN结的形成
电子、 电子、空穴 当导体处于热力学温度0 当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当 导体中没有自由电子。 温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高， 温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价 电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电， 电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为 自由电子。 自由电子。 这一现象称为本征激发，也称热激发。 这一现象称为本征激发，也称热激发。 本征激发 热激发 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位， 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位， 原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等， 原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等， 人们常称呈现正电性的这个空位为空穴 空穴。 人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。
一、PN结的形成 PN结的形成
P + + + N + + + + + + PN结的接触电位： PN结的接触电位： 结的接触电位 (1).内电场的建立 内电场的建立， PN结中产生电位差 结中产生电位差。 (1).内电场的建立，使PN结中产生电位差。 从而形成接触电位V 又称为位垒) 从而形成接触电位Vϕ(又称为位垒)。 动态平衡时：扩散电流=漂移电流。 (2). 动态平衡时：扩散电流=漂移电流。 PN结内总电流=0。 PN结的宽度一定 结内总电流=0 PN结内总电流=0。 PN结的宽度一定 。 (3).PN结根据耗尽层的宽度分为对称结与 (3).PN结根据耗尽层的宽度分为对称结与 不对称结： 不对称结： 对称结—两个区（ 区和N 对称结—两个区（P区和N区）内耗尽层 相等（杂质深度相等） 相等（杂质深度相等） 不对称结— 不对称结—杂质浓度高的侧耗尽层小于杂 质深度低的一侧，这样的PN PN结称为不对 质深度低的一侧，这样的PN结称为不对 称结
PN结的形成及特性
在空间电荷区，由于缺少多子，所以也 在空间电荷区，由于缺少多子， 耗尽层。 称耗尽层。 因浓度差
多子的扩散运动→ 由杂质离子形成空间电荷区 多子的扩散运动→ ↓ 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 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。 最后 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡
三、 PN结的电流方程 结的电流方程
PN结V- I 特性表达式 结
i = I S (e qu / kT − 1)
其中
iD/mA 1.0
i = I S (e u / UT − 1)
iD=– IS
IS ——反向饱和电流 反向饱和电流 UT——温度的电压当量 温度的电压当量 且在常温下（ 且在常温下（T=300K） ）
五、 PN结的电容效应 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。 当外加反向电压（漂移）使PN结上压降发生变化时， 耗尽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（变容二极管）。
Cj=Cb+Cd
影响高频信号 与i、UT、Cd等有关
• 低0.5
– 1.0
– 0.5
0
0.5
1.0 υ D/V
PN 结的伏安特性
1. PN结加正向电压时的导电情况 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（ 空间电荷区）。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结导通， 呈现低阻性。 限流电阻 结压降
PN节原理
1. ＰＮ结的形成（1）当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。
但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ区和Ｎ区中原来的电中性条件破坏了。
Ｐ区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，Ｎ区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。
这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的ＰＮ结。
（2）在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为耗尽层。
（3）Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场。
（4）内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方，使空间电荷区变窄。
（5）因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。
当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结处于动态平衡 s。
2．ＰＮ结的单向导电性（1）外加正向电压（正偏）在外电场作用下，多子将向ＰＮ结移动，结果使空间电荷区变窄，内电场被削弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移，扩散运动起主要作用。
结果，Ｐ区的多子空穴将源源不断的流向Ｎ区，而Ｎ区的多子自由电子亦不断流向Ｐ区，这两股载流子的流动就形成了ＰＮ结的正向电流。
（2）外加反向电压（反偏）在外电场作用下，多子将背离ＰＮ结移动，结果使空间电荷区变宽，内电场被增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散，漂移运动起主要作用。
漂移运动产生的漂移电流的方向与正向电流相反，称为反向电流。
PN结的形成和特性
二极管正向连接
二极管反向连接
21
第 3章 二极管及其基本电路
仿真P
此时发光二极管发光，说明PN结导电。
若P区的电位高于N区，电流从P区流到N区，PN结呈低 阻性，所以电流大； PN结正向偏置—— 当外加直流电压使PN结P型半导体的一 端的电位高于N型半导体一端的电位时（也就是允许电流流 过PN结的条件），称PN结正向偏置，简称正偏。
P型半导体和N型半导体一结合，在交界面上形成了 稳定的电层，我们利用PN结的这个特性了解它是如何 具备单向导电性 .
还要利用这个特性设计制造二极管和三极管。
19
第 3章 二极管及其基本电路
小结 1.空间电荷区中没有载流子。只剩下正负离子.
2.空间电荷区由于存在内电场，内电场阻碍P区
中的空穴(多子)运动.由于多子很多我们称作扩 散运动。促进了少子的漂移运动.，
- - - - - -+ + + +
P
N
当扩散与漂移作用平衡时
a. 流过PN结的净电流为零
b. PN结的厚度一定（约几个微米）
c. 接触电位一定（约零点几伏）
++ ++ ++ ++ ++ ++
17
第 3章 二极管及其基本电路
PN结形成过程动画演示
18
第 3章 二极管及其基本电路
扩散使PN结变宽，使它的内电场变强，而漂移的作 用又使空间电荷区变薄，最终PN结稳定在一定的宽度.
PN结
三、pn结在前面几结中我们了解了本征半导体和杂质半导体，根据对导电性的影响，杂质半导体又分为n型半导体和p型半导体。
如果把一块n型半导体和p型半导体结合在一起，在两者的交界面就形成了所谓的pn结，在这一结我们就是要了解pn结的一些性质。
1、pn结的形成和杂质分布在一块n型（或p型）半导体单晶上，用适当的工艺方法（如：合金法、扩散法、生长法、离子注入法等）把p型（或n型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别具有n型和p型的导电类型，在二者的交界面出就形成了pn结。
P型N型结合金法制备pn结下图表示用合金法制造pn结的过程，把一小粒铝放在一块n型单晶硅片上，加热到一定程度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体开始凝固，在n型硅片上形成一含有高浓度铝的p型硅薄层，它和n 型硅衬底的交界面处即为pn结。
2、空间电荷区考虑两块半导体，一块是n型，一块是p型。
在n型半导体中电子很多而空穴很少，在p型半导体中空穴很多而电子很少。
左图是n型和p型半导体的能带图。
当这两块半导体结合形成pn结时，由于它们之间存在载流子浓度梯度，导致了空穴从p区到n区，电子从n区到p区的扩散运动。
对于p区，空穴离开后，留下了不可动的带负电的电离受主，这些电离受主，没有正电荷与之保持电中性，因此，在p-n结附近p区一侧出现了一个负电区域。
同理，在p-n结附近n区一侧出现了由电离施主构成的一个正电荷区，通常就把在p-n结附近的这些电离施主和电离受主所带的电荷称为空间电荷。
它们所存在的区域称为空间电荷区。
空间电荷区空间电荷区中的这些电荷产生了从n区指向p 区，即从正电荷指向负电荷的电场，称为内建电场。
在内建电场的作用下，载流子作漂移运动。
显然，电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方向相反。
因此，内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。
随着扩散运动的进行，空间电荷逐渐增多，空间电荷区也逐渐扩展；同时，内建电场逐渐增强，载流子的漂移运动也逐渐加强。
半导体物理pn结
半导体物理pn结半导体物理PN结是半导体电子学中的重要概念，它由P型半导体和N型半导体组成。
PN结的研究对于理解半导体材料的特性和开发电子器件具有重要意义。
本文将介绍PN结的形成、特性以及应用。
一、PN结的形成PN结是由P型半导体和N型半导体相接形成的结构。
在P型半导体中，电子浓度较低，空穴浓度较高。
而在N型半导体中，电子浓度较高，空穴浓度较低。
当将这两种半导体材料相接时，由于电子和空穴之间的扩散运动，形成了一个空乏区域，称为耗尽层。
二、PN结的特性1. 效应PN结具有整流效应，即在正向偏置的情况下，电流可以通过PN结；而在反向偏置时，电流非常小，几乎可以忽略不计。
这种整流效应使得PN结广泛应用于电子器件中，例如二极管。
2. 正向偏置当PN结的P区施加正电压，N区施加负电压时，电子从N区向P区扩散，空穴从P区向N区扩散。
此时，PN结的空乏层变窄，载流子扩散通过结，形成正向电流。
3. 反向偏置当PN结的P区施加负电压，N区施加正电压时，电子从P区向N区扩散，空穴从N区向P区扩散。
此时，PN结的空乏层变宽，载流子难以通过结，形成反向电流。
三、PN结的应用1. 二极管PN结作为二极管的基本元件，广泛应用于电子器件中。
在正向偏置时，二极管具有低电阻态；在反向偏置时，二极管具有高电阻态。
基于这种特性，二极管用于整流电路、调制电路和开关电路等方面。
2. 光电二极管光电二极管是一种特殊的二极管，它能够将光能转化为电能。
当光照射在光电二极管上时，光子激发了PN结中的载流子，从而产生电流。
光电二极管广泛应用于光通信、太阳能电池等领域。
3. 功能改变PN结通过控制正向偏置和反向偏置的电压，可以改变PN结的导电特性。
例如，在特定电压下，PN结可以实现放大、开关、振荡等功能。
这种特性被广泛应用于放大器、开关电路和振荡电路等器件中。
结论PN结作为半导体物理中的重要概念，具有整流效应和调控电流的特性。
通过控制正向偏置和反向偏置的电压，PN结能够实现不同的功能。
第二章 PN结
电介质材料的内部结构所能允许电场的
穿透程度，即电介质的电容率，或者称
介电系数。
C
d
A td离的反向偏置的 PN结必然会产生一个额外的寄生电 容，在B端与V+之间，在用PN结设 计电容的时候，这个寄生电容不能 忽视，必须要考虑它的影响。
电容表达式
C
d
A td
C
s
A wd
s 11.80 11.88.851012 F / m
wd 是耗尽层的平均宽度
电压与电容的依赖关系是PN结 电容的一个额外的特点！
这种特性非常有用，它使得电 容是可变化的，并且是可以电 控的！
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。
电子元件的内部阻抗通常是以斜体小写 字母r，加上一撇表示，而不用标准的大 写R表示。
如二极管的动态阻抗r为d
当二极管处于正偏时，可视为一个闭合的开关，再 串联一个等于自建电势的电压源和一个小的正向动 态阻抗。
当二极管处于反偏时，可视为一个开路的开关，再 并联一个大的内部反向电阻值。自建电势不影响反 向电压，可不予考虑。
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。
PN结二极管
二极管
变容二极管 整流二极管 开关二极管 稳压二极管 发光二极管 隧道二极管 光电二极管 ……
半导体器件中的PN结与晶体管原理
半导体器件中的PN结与晶体管原理半导体器件是当今电子技术中不可或缺的组成部分。
其中，PN结和晶体管原理是两个重要的概念，对于理解和应用半导体器件具有重要意义。
本文将从PN结的构成和特性入手，探讨其在晶体管原理中的应用。
一、PN结的构成与特性PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构。
P型半导体中的主要载流子是空穴，N型半导体中的主要载流子是电子。
当P型与N型半导体连接时，形成了PN结。
PN结的特性可以从以下几个方面来描述：1. 能带结构：在PN结中，由于P型和N型半导体的能带位置不同，形成了能带弯曲的情况。
在P区域，能量带中最高的占据带被空穴占据，而在N区域中，最低的导带则被电子填充。
这样，就会形成能量差，促使电子和空穴跨过能量壁垒。
2. 势垒区：PN结中由于能带的差异而形成了势垒区。
在势垒区中，空穴和电子被阻挡住，无法自由传导。
这种特性使得PN结具有单向导电的特点。
3. 正向偏置：当外加电压与PN结的势垒相反方向时，即正向偏置时，势垒会减小，减小到一定程度后，PN结就会导通，电流开始流动。
此时，空穴会从P区域流向N区域，电子则从N区域流向P区域。
4. 反向偏置：当外加电压与PN结的势垒方向相同时，即反向偏置时，势垒会增大，阻碍电流流动。
这种特性使得PN结在正常工作条件下具有斩波作用，用于电子设备中的稳压、整流、滤波等电路。
二、晶体管原理与应用晶体管是一种基于PN结的三层结构器件，由发射区、基区和集电区组成。
晶体管的工作原理是基于PN结在不同偏置情况下的特性。
晶体管可以充当放大器、开关和逻辑门等功能。
1. 放大器：当晶体管的发射区加上适当的正向偏置时，PN结的势垒会减小，使电流从发射区注入到基区。
这样，由于基区较薄，注入的小电流可以被放大为较大的电流。
因此，晶体管可以将弱信号放大，实现放大器的功能。
2. 开关：当晶体管的发射区与基区之间没有偏置时，PN结处于正常情况下，无法导通。
然而，当施加一个适当的电压到基区时，PN结会形成一个导通通道，允许电流从集电区流到发射区，实现开关的功能。
如何讲授PN结的形成及特性
如何讲授ＰＮ结的形成及特性作者：张涛来源：《教师·理论研究》2008年第09期摘要：本文作者根据自己数年来的教学实践经验，结合教学内容，分析讨论如何在教学过程中使学生较好地理解并掌握PN结的形成过程及其特性，从而为学好电子电路课程打下坚实的基础。
关键词：教学经验；PN结；反向偏置；正向偏置；单向导电性众所周知，半导体器件是构成电子电路的基本元件，所以要学好电子电路课程就必须具备半导体的基本知识。
PN结是半导体器件的核心部分，也是学生在学习半导体基本知识过程中的第一个难点和重点，一旦这个难点被突破，后面的很多难点都变得容易理解。
所以，理解并掌握PN结的形成及其特性是至关重要的。
那么我们在教学中应该如何使学生尽快突破这个难点呢？我认为可从以下几个方面来把握。
（1）在介绍PN结的形成时，会提到两种运动——扩散运动和漂移运动。
前者是由载流子浓度差引起的（这时电子向P区扩散，空穴向N区扩散），后者是在内建电场作用下所产生的。
扩散运动的结果是在PN交界的两侧形成了空间电荷区（也称势垒区），这个区域一边带正电荷，另一边带负电荷，而且扩散越强，空间电荷区越宽。
介绍到这时，教师应给学生强调两点：一是整个半导体还是电中性的，因为空间电荷区正负电荷的总量彼此相等；二是由于物质结构的关系，这些电荷是不能任意移动的，因此并不参与导电。
出现了空间电荷区后，由于正负电荷之间的相互作用，在电荷区中就形成了内建电场。
内建电场的方向与扩散运动的方向相反，它将电子从P区拉回，将空穴从N区拉回，这就产生了漂移运动。
漂移运动的结果使空间电荷区变窄，其作用正好与扩散运动相反。
当达到平衡时，总的效果就是两种作用互相抵消，所以载流子的扩散运动与漂移运动是矛盾着的双方，PN结就是这一矛盾的统一体。
这两种运动的关系讲清楚后，学生就容易理解在动态平衡时，PN结内没有净电流流动的现象。
由于内建电场的存在， N区的电势比P区高，这个电势差称为内建电势差或结电压（也叫接触电位），一般只有零点几伏。
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15
第 3章 二极管及其基本电路
形成电位势垒
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ + + +++
P
电位V
N
势垒V0
电场的的方向是从髙电位往底电位走，就是从正离子往负 离子走，于是N区一边的电位高于P区一边，如图所示。 16
漂移运动
空间电荷区， 也称耗尽层。
P 型半导体
内电场E N 型半导体
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ + + +++
P
N
扩散运动 扩散的结果是使空 因为在PN结上只剩下了正负离子(正负电荷)，间也电可荷以区称逐作渐空加间宽电。荷区 .N
区中的导电电子为了进入P区，必须克服正离子的吸引和负离子的排斥力。
在粒子层建立后，PN结内的区域实际上已经耗尽了导电电子和空穴，1所4 以
PN结也称作是耗尽层。
第 3章 二极管及其基本电路
P型半导体的多子是什么？ 空穴 N型半导体的多子是什么？ 自由电子. 如果把他们接到一块，在他们的介面上就会存在截流子的浓 度差，如果存在浓度差，就会形成一系列的结果。
1
第 3章 二极管及其基本电路
3.2.1 载流子的漂移与扩散
以N型半导体为基片
+ + + + + ++ + + + + +
+ + + + + ++ + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + + ++ + + + + +
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ + + +++
P
N
漂移运动
电场的的方向是从正离子往负离子走。电场的作用就会促进少数载流子的
运动，自由电子从低电位往髙电位走，空穴是从髙电位往底电位走，由于少
子的运动很弱(数量很少)，少子的运动叫做漂移运动。
P
N
扩散运动
扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽。
9
第 3章 二极管及其基本电路
形成内电场
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ + + +++
二极管正向连接
二极管反向连接
21
第 3章 二极管及其基本电路
仿真P
此时发光二极管发光，说明PN结导电。
若P区的电位高于N区，电流从P区流到N区，PN结呈低 阻性，所以电流大； PN结正向偏置—— 当外加直流电压使PN结P型半导体的一 端的电位高于N型半导体一端的电位时（也就是允许电流流 过PN结的条件），称PN结正向偏置，简称正偏。
P
E内
N
S
E
R
当外加的偏置电压足以克服势垒电位时，电子就有足够的
能量进入耗尽层并越过PN结。与P区中空穴复合。当这些电
子离开N区后，会有更多的电子从电源的负端流出。
25
第 3章 二极管及其基本电路
- - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++
P
E内
N
S
E
R
N
内电场(E)方向
内电场会促进少子的漂移运动，也抑制了多子的扩散运动，虽然少子的量很
少，随着漂移的增强，而扩散是越来越弱，最终会达到一种平衡。此时我们在
这个空间就相当于有这么一个结，这个结不是面，是一段宽度，这段宽度就叫
做PN结。
12
第 3章 二极管及其基本电路
PN结一方面阻碍多子的扩散，另一方面加速少子的漂移 扩散运动
注：偏置就是指加在半导体元件上设置其工作条件的固定直
流电压。
22
第 3章 二极管及其基本电路
- - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++
还要利用这个特性设计制造二极管和三极管。
19
第 3章 二极管及其基本电路
小结 1.空间电荷区中没有载流子。只剩下正负离子.
2.空间电荷区由于存在内电场，内电场阻碍P区
中的空穴(多子)运动.由于多子很多我们称作扩 散运动。促进了少子的漂移运动.，
3.P 区中的电子和N区中的空穴（都是少），数
量有限，因此由它们形成的电流很小。
P
N
6
第 3章 二极管及其基本电路
(2) 在浓度差的作用下，空穴从 P区向N区扩散。
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ + + +++
E
R
当直流电源将二极管正向偏置后，由于静电场的作用，
电源的负端将N区中的导电电子推向PN结，而电源的正端也
将P区中的空穴推向PN结。
24
第 3章 二极管及其基本电路
- - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++
空间电荷层
漂移运动
内电场E
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ + + +++
P
扩散运动
N
在P区和N区交界面上，留下了一层不能移动的正、负 离子。在介面上自由电子和空穴就结合了。