PN结的单向导电性及其分析

PN结的单向导电性及其分析

作者：高俊杰

来源：《电子技术与软件工程》2017年第12期

摘要本文意在从本质上揭示PN结的导电机理，换种思路理解PN结的单向导电性。找出规律在于化繁为简，本文若被认可也许能够建立起一种更为简单的PN结模型。

【关键词】微小的间隙接触电阻接触电动势单向导电

1 前言

提起PN结，大家都知道它具有正向导通、反向截止的特性，但PN结为何具有单向导电性呢？这个问题就复杂了，现在比较流行的是引入一个“空间电荷区”的概念来解释的，这就需要从PN结的构造说起。

2 PN结的单向导电性

半导体具有掺杂性，P型和N型半导体就是利用在本征半导体也就是纯净的半导体中掺入不同价位的杂质元素而形成的。P型也叫空穴型半导体，它是在硅、锗等4价元素中掺入3价的硼、铝等受主杂质，在其共价键结构中缺少1个电子而形成空穴（见图1）。N型半导体则在硅、锗等4价元素中掺入5价的施主杂质磷、锑等，这时就会在共价键中多出一个电子而形成自由电子（见图2），因此半导体就具有了两种载流子——电子和空穴对。在P型半导体中空穴是多子、电子是少子；N型半导体则相反，电子是多子、空穴是少子。

如果通过光刻和杂质扩散等方法就能将一块半导体分成P型半导体和N型半导体两部分，它们之间就是一个PN结。它是构成半导体器件的基础，其实一个二极管就是一个PN 结。那么PN结是怎么具有单向导电性的呢？

通常的说法是在不加外电压时，这个PN结中P区的多子是空穴，N区的多子是电子（通常只考虑多子），因为浓度差，载流子必然向浓度低的方向扩散。在扩散前，P区与N区的正负电荷是相等的，呈电中性。当P区空穴向N区移动时，就在PN结边界处留下了不能移动的负离子，用带蓝圈的负电荷表示；当N区自由电子向P区移动时，就在PN结边界处留下了不能移动的正离子，用带红圈的正电荷表示，这样就在空间电荷区内产生了一个内建电场Upn，电场的方向是由N区指向P区的。在扩散作用下随着Upn增大，载流子受到电场力Upn 的作用而做漂移运动，它的方向与扩散运动相反，最终使载流子扩散与漂移达到动态平衡，形成了空间电荷区，如图3所示。

当外加正向偏压时，电源E提供大量的空穴和电子，E的电场方向与Upn的电场方向相反，空间电荷区被两种载流子复合而消弱变窄，载流子容易通过扩散加强，呈现低阻状态。

当外加反向偏压时，它的电场方向与Upn的电场方向一致，空间电荷区被增厚变宽，载流子不易通过扩散减弱，呈现高阻状态。此时仅有两侧的少子，也就是N区的空穴和P区的电子在Upn电场力作用下做漂移运动，形成较小的反向饱和电流IS，直至击穿为止，其电流按二极管方程规律变化，这就是PN结的单向导电性原理。

在“空间电荷区”的概念里认为空穴和电子是可以自由移动的， PN结两侧的正负离子是不能移动的，“空间电荷区”的厚度决定了通过PN结电流的大小。但如果把“空间电荷区”看作是一个“微小的间隙”，即把它等效为一个接触电阻，可能就更容易理解，更能反映PN结的单向导电性实质了。我们知道当电源E一定时，电流I的大小主要取决于导线电阻中能够参与导电的载流子的多少，而在整个回路中PN结相对于其它导体原件能够参与导电的载流子最少，也就像一道闸门，它的微小间距也就是它的接触电阻决定了回路主要电流的大小。当PN结间隙小时接触紧密，接触电阻小；当PN结间隙大时接触不紧密，接触电阻大，因此PN结边界处的接触电阻是PN结导电的关键。

那么，PN结边界处的接触电阻又与谁有关呢？我们知道由于掺杂的原因，P区产生的空穴与N区产生的电子一定会相互吸引，它们必然向PN结边界聚集，形成如图4所示的接触电动势Epn。

当没有外加电压时，载流子要想通过PN结，就必须获得足够的能量，因此只有少部分高能的载流子才能够穿过PN结与之复合，不能复合的空穴和电子就形成了一个由P区指向N区的接触电动势，其实质就是一个具有电源性质的接触电动势Epn，它与Upn方向相反。接触电动势Epn的存在是载流子扩散运动的结果。

当外加正向电压时，电源E与接触电动势Epn方向相同，相互叠加。电源正极发出的正电荷与N区的自由电子相互吸引，电源负极发出的负电荷与P区的空穴相互吸引，PN结之间接触更加紧密，它们之间的“微小的间隙”变窄，从而接触电阻减小，PN结对外呈现低阻性。

当外加反向电压时，电源E与接触电动势Epn方向相反，相互抵消。电源负极发出的负电荷与N区的电子相互排斥，电源正极发出的正电荷与P区的空穴相互排斥，PN结之间接触不再紧密，它们之间的“微小的间隙”变宽了，从而接触电阻增大，PN结对外呈现高阻性。

实际上，PN结由于各种材料的不同，它们的正反向电特性也即接触电阻就会不完全对称，这种材料的不对称就造成了PN结正反向电阻值的差异，它会在一定的电压范围内呈现出较为明显的不对称性，也就是PN结的“单向导电性”。

3 总结

以上就是我对PN结单向导电性内部导电的原理分析，但对于“空间电荷区”的概念也有许多不同的理解，尽管关于PN结的那些推倒式也是基于导体内粒子的数学模型建立起来的，但对于那些令人匪夷所思的推倒式还是仁者见仁，智者见智。有人不认同“空穴”的存在，认为它

是虚无缥缈的东西，是人为制造的名词。有人认为既然只有半导体含有“电子空穴对”、导体只有自由电子，那金属导线怎么传输空穴呢？只在半导体内部激发再复合吗？还是……等等。尽管更多的人认为半导体中空穴不能移动，只是电子在导电，但这并不能否定空穴的存在，从物理学角度出发，电子应该与空穴是同时存在的，只是空穴就是一个空位，不能移动而已。因此，如果把空间电荷区看作是一个“微小的间隙”，引入一个接触电阻或接触电动势的概念就能很好的解释半导体PN结的单向导电性了。

以上就是我对PN结的单向导电性原理的分析与理解，由于水平有限，难免有认识上的错误，请同志们提出宝贵意见，共同探讨。

参考文献

[1]张肃文主编.低频电子线路[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2]清华大学电子工程、工业自动化系编.晶体管电路[M].北京：高等教育出版社，2013.

[3]谢嘉奎，宣月清，谢洪臐编.电子线路-线性部分[M].北京：高等教育出版社，2009.

作者单位

国家新闻出版广电总局五六四台北京市 100044