PN结
pn结工作原理
pn结工作原理
PN结是由P型半导体和N型半导体材料结合而成的一种二极
管结构。
其工作原理主要涉及了P型半导体的空穴（正电荷
载流子）和N型半导体的自由电子（负电荷载流子）之间的
扩散和漂移过程。
当PN结处于正向偏置时，P型半导体的空穴向结区域扩散，
而N型半导体的自由电子向结区域漂移。
扩散过程中，空穴
和自由电子发生复合消失，形成电荷中性的正负离子。
这样，在结区域的一侧积累了正离子，而在另一侧积累了负离子，形成了电场。
这个电场阻碍了进一步的电荷扩散，称为势垒。
势垒形成后，电流可以通过PN结，这就是二极管正向导通的原理。
当PN结处于反向偏置时，P型半导体的空穴向结区域扩散，
N型半导体的自由电子向结区域漂移。
扩散过程中，空穴和自由电子快速发生复合消失，形成电荷中性的正负离子。
由于没有形成有效的电场，电流几乎不能通过PN结，这就是二极管
反向截止的原理。
PN结的工作原理可用以下过程概括：
1. 正向偏置：空穴和自由电子在结区域发生复合消失，形成电场势垒，电流通过。
2. 反向偏置：快速复合消失形成电荷中性，电流几乎不能通过。
最后的原理可以用言简意赅的句子来总结：PN结的工作原理
是通过正向偏置形成势垒，阻碍电荷扩散，使电流通过；而反向偏置时，电荷快速复合消失，电流几乎不能通过。
PN结
PN 结PN 结的重要参数：耗尽区宽度、耗尽区电容、击穿电压。
耗尽区宽度VD 为正偏电压P 型半导体：多子为空穴，少子为电子；掺杂浓度为NA 。
N 型半导体：多子为电子，少子为空穴；掺杂浓度为ND 。
耗尽区形成：载流子的扩散（多子扩散 --> 留下的固定电荷形成电场 --> 载流子的反向运动（少子漂移） --> 漂移与扩散平衡，形成耗尽区。
内建电势（势垒）：）（2i DA 0n N N ln q kT =φ qkT 为Vt 室温下为25.9mV耗尽区深入P 型半导体中的宽度：2/1D A A DD 0Si p N N qN N V -2-x ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+=）（）（φε 其中Siε为硅的介电常数（1.38 X 2310- J/K ），q 为电子电荷量（1.60 X 1910-C ）耗尽区深入N 型半导体中的宽度：2/1D A D AD 0Si n N N qN N V -2-x ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+=）（）（φε 耗尽区主要向轻掺杂半导体一侧扩展，即NA （ND ）越大，Xp （Xn ）越小。
耗尽区宽度：2/102/1)()(2D D A D A Si d V N qN N N x -⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+=φε 耗尽区宽度与势垒和外加电压之差的平方根呈正比；且掺杂浓度越小，耗尽区宽度越大。
耗尽区中带电电荷（其中P 型半导体中耗尽区带负电，N 型半导体中耗尽区带正电）：||pAjx AqN Q = 其中A 为pn 结横截面积。
耗尽区电容Pn 结耗尽区形成的电容称作耗尽区电容：()()2/102/112DD A DA Sij V N N NqN A C -⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+=φε根据上式，当VD 趋近于0φ时，jC 将趋近于无穷大，但是此时流过二极管的电流已经比较大，因此上式不再成立，实际趋势如下图所示。
Φ0/2Φ0VDC j实际的情况上图所示为jC 与外加偏置电压VD 的关系，其中实线为理想情况，虚线为实际情况。
pn结的通俗理解
pn结的通俗理解
PN结是半导体器件中最常见的一种，它由P型半导体和N型半导体组成。
这两种半导体材料的电子、空穴浓度和载流子迁移率在化学成分和制备过程中的控制有所不同。
P型半导体中空穴浓度较高，而N 型半导体中电子浓度较高。
PN结的结构使得P区中的空穴通过结往N区扩散，N区中的电子同样也会朝着P区扩散，这样就产生了电子和空穴的重新组合，形成少数载流子。
这种少量的再结合将会引起两种不同载流子荷电状态的空间电荷区的形成——空间电荷区的电荷密度与电子密度、空穴浓度相关，使PN结中形成了正负两极，形成了电场，形成了"势垒"。
这个"势垒"将阻碍载流子在PN结中的流动，直到足够的外加电压克服"势垒"的高度为止，载流子才能在PN结中流动。
因此，PN结具有单向导电性，一端的电压为正，另一端为负，而与此同时，常常会在PN结正向的一端形成高于其他部位的电压阈值，就像一道大门，只有打开了大门，电流才能流过。
从这个角度上说，PN结就像是一种电子集散地，只有消耗能量，才能释放出能量，产生效益。
PN结在半导体器件中起着重要的作用，比如说LED（发光二极管）、太阳能电池等等都采用了PN结的原理。
PN结也是各种半导体器件如二极管、三极管等的基础。
pn结的形成原理
pn结的形成原理
1 什么是 pn 结
PN 结是一种构造于两种不同材料之间的半导体器件。
PN结由一种掺有三价杂质的半导体（如硼掺入硅）和一种掺有五价杂质的半导体（如磷掺入硅）组成。
当它们被熔合在一起时，掺杂的材料会互相扩散，形成一个电势降和电场。
2 PN 结的形成原理
半导体中的掺杂，可以有效地改变其导电性质。
在半导体中，掺
入三价杂质如硼可以形成电子空位，形成类似于p型材料的区域，称
为p区；掺入五价杂质如磷可以形成多余的电子，形成n型材料的区域，称为n区。
当一个p区和一个n区接触，原来分布于两个区域中的自由电子
和空穴会相互扩散，形成一个电势降和电场。
电子从n区移动到p区，空穴从p区移动到n区，大部分通过复合相互消失，少部分在pn结中
留下尘埃，产生电流。
PN结具有导电性和单向性。
当PN结处于正向电压时，如p区为正电，n区为负电，自由电子从n区向p区扩散，空穴从p区向n区扩散，使得PN结的电流变大，这称为正向电压。
如果PN结处于反向电压时，如p区为负电，n区为正电，此时自
由电子受到PN结场的吸引，移向n区，空穴移向p区。
由于电子与空
穴相互扩散后，在受到PN结场的阻抗下变得微不足道，所以反向电压
条件下，PN结不导电，这称为反向电压。
3 PN 结的应用
PN结是半导体器件中最基本的构件之一，它有许多应用，例如用
于制造二极管、晶体管和场效应晶体管等器件。
PN结还可以作为太阳
电池和CMOS象元等集成电路器件中的基本单元。
在现代光电子技术中，PN结也常被用作光检测器或光电转换器件，将光子能量转换成电子能量。
P N 结介绍
漂移
(2).位垒高度↑ 漂移运动（少子） (2).位垒高度↑ →漂移运动（少子） ↑ →漂 位垒高度 移电流↑ 移电流↑ (3).反向电流决定于漂移电流此时PN结截止 反向电流决定于漂移电流此时PN结截止。 (3).反向电流决定于漂移电流此时PN结截止。 漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流， 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， 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少 子浓度是一定的。 子浓度是一定的。 所以少子形成的漂移电流是恒定的， 所以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， 与所加反向电压的大小无关，这个电流也称 反向饱和电流IS IS。 为 反向饱和电流IS。 PN结加反向电压时 呈现高电阻， 结加反向电压时， PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很 小的反向漂移电流。 PN结具有单向导电 小的反向漂移电流。 即PN结具有单向导电 特性。 特性。
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： 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
什么是PN结和二极管
什么是PN结和二极管PN结是半导体物理学中的一个基本概念，它是由P型半导体和N型半导体接触在一起形成的结构。
在P型半导体中，空穴是多数载流子，而在N型半导体中，电子是多数载流子。
当P型和N型半导体接触时，N型半导体中的电子会向P型半导体中的空穴移动，形成大量的电子-空穴对，这些电子-空穴对称为载流子。
由于载流子的数量大大超过了原来的数量，所以形成了电荷不平衡，产生了电场，这个电场阻止了电子和空穴的进一步扩散，最终达到了一种电荷分布的平衡状态，形成了PN结。
二极管是一种基于PN结的半导体器件，它具有单向导电性。
当二极管的正极连接到高电位，负极连接到低电位时，PN结处于正向偏置状态，此时电子和空穴会大量移动，形成电流，二极管导通。
而当正极连接到低电位，负极连接到高电位时，PN结处于反向偏置状态，此时电场会阻止电子和空穴的移动，二极管截止，不形成电流。
二极管广泛应用于电子电路中，如整流、调制、稳压、信号检测等。
它们是现代电子技术中不可或缺的基本元件之一。
习题及方法：1.习题：PN结的形成过程中，为什么会产生电场？解题方法：回顾PN结的形成过程，分析P型和N型半导体接触时电荷不平衡的原因，以及电场的作用。
答案：PN结形成过程中，由于P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子大量移动，形成了电子-空穴对。
这些电子-空穴对使得PN结区域内的电荷分布不平衡，产生了电场。
电场的作用是阻止电子和空穴的进一步扩散，最终达到电荷分布的平衡状态。
2.习题：二极管在正向偏置和反向偏置状态下，分别会发生什么现象？解题方法：分析二极管的正向偏置和反向偏置过程，以及对应的电荷分布和电流情况。
答案：在正向偏置状态下，二极管的正极连接到高电位，负极连接到低电位。
此时，PN结中的电场减弱，电子和空穴大量移动，形成电流，二极管导通。
在反向偏置状态下，二极管的正极连接到低电位，负极连接到高电位。
此时，PN结中的电场增强，阻止了电子和空穴的移动，二极管截止，不形成电流。
PN结
PN结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。
图（1）浓度差使载流子发生扩散运动（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。
图（2）内电场形成（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。
PN 结
PN 结PN结的形成在一块N型（或P型）半导体上，掺入三价（或五价）的杂质元素，使其产生一个P型（或N型）半导体区间。
这时，在N区和P区之间的交界面附近将形成一个极其薄的空间电荷层，称为PN结。
PN结形成原理示意图交界面两侧产生多子浓度的极大差异，此差异会引起交界面两侧多子相互扩散到达对方，并与对方的多子复合。
经多子扩散后所形成的图片如下：P区靠近交界面会形成一个负离子薄层，N区靠近交界面处会形成一个正离子薄层。
交界面两侧这些薄层称为空间电荷区。
由于多子扩散，这一区域缺少载流子，故也称耗尽层。
但并不是没有载流子，只不过是它相对于中性区而言，载流子浓度很小，小的可以忽略。
在两种半导体之间存在电位壁垒，对多子向另一侧扩散起阻碍作用，称为势垒或位垒。
扩散电流和漂移电流的形成接近PN结的少子受内电场的作用而被加速，向另一侧漂移，形成漂移电流漂移电流和扩散电流大小相等，方向相反，达到动态平衡少数能量大的多子克服内电场产生的电场力扩散到另一侧，形成扩散电流不对称的PN结当N区和P区的掺杂浓度相等时，两侧空间电荷区的宽度相等。
当P区和N 区的掺杂浓度不相等时，掺杂浓度高的一侧离子电荷密度大，空间电荷区的宽度较窄；掺杂浓度高的一侧，离子电荷密度低，空间电荷区的宽度较宽。
PN结的正偏和反偏P型半导体接负极，N型半导体接正极，PN结反偏。
反偏时，外电场和内电场方向相同，外电场加强了内电场的势垒作用，势垒增加，有利于少子漂移，不利于多子扩散。
所以PN结反偏时，PN结变宽，呈现为高电阻，处于反向截止状态。
P型接正极，N型接负极时，PN结正偏。
此时，外电场和内电场的方向相反，外电场削弱了内电场，势垒下降，势垒下降有利于多子扩散，使大量多子扩散通过PN结，形成大的正向电流，PN结呈现为低电阻，处于导通状态。
一部分多子在扩散过程中，与空间电荷区的离子中和，使PN结变窄。
NPN晶体管中应用到的PN结原理在发射区内，掺杂浓度较高，含有更多的多子。
pn结的工作原理
pn结的工作原理
PN结是由N型半导体和P型半导体材料形成的结构。
在PN
结中，P型区域的导电性主要由空穴贡献，N型区域的导电性
主要由自由电子贡献。
PN结的工作原理是基于PN结两侧的
载流子浓度差异所产生的漂移和扩散电流。
当PN结处于静止状态时，由于P型区域的空穴浓度高于N型区域的自由电子浓度，会形成一个电场从P端指向N端。
这
个电场被称为内建电场，它产生了一个电势垒，阻碍了载流子的自由移动。
当外加一个正向偏置电压时，即将P端连接到正极，将N端
连接到负极，外部电场将与内建电场方向相反，减小了电势垒的高度。
这样，载流子（空穴和自由电子）就能够突破电势垒，从P区域进入到N区域，形成P-N结的电流流动。
当外加一个反向偏置电压时，即将P端连接到负极，将N端
连接到正极，外部电场与内建电场方向相同，增加了电势垒的高度。
这使得电势垒变得更大，阻碍了载流子的移动。
在反向偏置情况下，只有极少数载流子能够越过电势垒，因此PN结
中几乎没有电流流过，称为反向饱和态。
总之，PN结的工作原理是基于内建电场所产生的电势垒，通
过改变外加电压的正负来控制电势垒的高度，从而控制载流子的运动和电流的流动。
PN结
二、 PN结的单向导电特性 结的单向导电特性
PN结的单向导电性只有在外 结的单向导电性只有在外 加电压时才会表现出来
（一）、PN结加正向电压 ）、 结加正向电压 Ｐ－正 Ｎ－负 正向电压或正向偏置(简称正偏) 简称正偏 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
ｊ≈ＣB。
五、PN结的温度特性 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 结特性对温度变化很敏感， 结特性对温度变化很敏感 为：温度升高，正向特性左移，反向特性下移。 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： 具体变化规律是： •温度每升高 ℃ ， 反向饱 温度每升高10℃ 温度每升高
－UBR 0 T u
和电流I 增大一倍。 和电流 S增大一倍。 •温度升高反向击穿电压降低 温度升高反向击穿电压降低
当温度升高到一定程度时， 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， 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 结就不存在了。 变得与本征半导体一样，这时 结就不存在了。 因此，为了保证PN结正常工作，它的最高工作 结正常工作， 因此，为了保证 结正常工作 温度有一个限制，对硅材料约为(150~200)℃，对锗 温度有一个限制，对硅材料约为 ℃ 材料约为(75~100)℃。 材料约为 ℃
关键在于耗尽层的存在
PN结的伏安特性 结的伏安特性
I
伏安特性方程
ID UBR UB
O U
I D = I S (e
UD UT
− 1)
加正向电压时， 加正向电压时，UD只要大 几倍以上， 于UT几倍以上，I D ≈ I S eU D / U T 加反向电压时， 加反向电压时，|UD|只要大于 只要大于 UT几倍以上，则 ID≈–IS 几倍以上，
pn结
J p p p
或
对于平衡pn结 Jn、Jp 均为零。因此
dE F dx
0
E F 常数
当电流密度一定时，载流子浓度大的地方，EF随位置变化小， 载流子浓度小的地方，EF随位置变化较大 空间电荷区中能带发生弯曲，这是空间电荷区中电势 能变化的结果，空间电荷区也叫势垒区。
4. pn结接触电势差
小注入时 d Ex dx 很小可以略去，n型扩散区 E x 0
程
故
p n p n0 d 2 p n Dp 0 2 dx p
通解为 p n (x) p n (x) p n0 Ae
因x
x Lp
Be
x Lp qV k 0T
时 p n () p n0 , x x n时p n (x n ) p n0e
N ( x) N A N ( x) N D
单边突变结
（2）扩散法
扩散结中杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结
NA ND
扩散结
线性缓变结近似
突变结近似
扩散结
x xj x xj
N A ND ND N A
扩散结中，若杂质分布可用x=xj处的切线近似表示，则称 为线性缓变结
VD pn结接触电势差，q VD pn结的势垒高度
势垒高度正好补偿了n区和p区费米能级之差，使E F处处相等
qVD E Fn E Fp
E Fn Ei k 0T E Fp Ei n p0 n i e k 0T
n n0 n i e
ln
n n0 n p0
1 k0T
(E Fn E Fp ) 2
qV
正向偏压下pn结的费米能级
PN结介绍
PN结介绍一．什么是PN结采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。
PN结具有单向导电性。
一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。
PN结有同质结和异质结两种。
用同一种半导体材料制成的PN 结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。
制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。
制造异质结通常采用外延生长法。
P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。
二、PN结的单向导电性PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。
如果外加电压使：PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏；PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏。
符号：电路中的画法：三、PN结的击穿特性当反向电压增大到一定值时，PN结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增加，这种现象称为PN结的击穿，反向电流急剧增加时所对应的电压称为反向击穿电压，如上图所示，PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种。
1、雪崩击穿阻挡层中的载流子漂移速度随内部电场的增强而相应加快到一定程度时，其动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子—空穴对新产生的载流子在强电场作用下，再去碰撞其它中性原子，又产生新的自由电子—空穴对，如此连锁反应，使阻挡层中的载流子数量急剧增加，象雪崩一样。
雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中，阻挡层宽，碰撞电离的机会较多，雪崩击穿的击穿电压高。
PN结简介
PN结PN结（PN junction）。
采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。
PN结具有单向导电性。
P是positive的缩写，N是negative 的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。
一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。
PN结有同质结和异质结两种。
用同一种半导体材料制成的 PN 结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。
PN结（PN junction）制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。
制造异质结通常采用外延生长法。
P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。
在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。
在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。
N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。
当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。
空穴和电子相遇而复合，载流子消失。
因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。
P 型半导体一边的空间电荷是负离子，N 型半导体一边的空间电荷是正离子。
正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。
在PN结上外加一电压，如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。
如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。
pn结综述
四、PN结接触电势差
2、平衡pn结的载流子分布
取p区电势为零，则势垒区中某点x的电势V（x）为正值。越接近n区 的点电势越高，到势垒区边界xn处的n区电势最高为VD，如图所示。 图中xn和-xp分别为n区和p区势垒 区的边界。对电子而言，相应的p 区的电势能比n区的电势能 E(xn)=Ecn=-qVD要高qVD。势垒区 内点x处的电势能为E(x)=-qV(x)， 比n区高qVD-qV(x)
二、p-n结的电荷分布
4.平衡pn结的形成
P
中性区
﹢ ﹢ ﹢ ﹢ ﹢ ﹢ ﹢ ﹢
空间电荷区 空穴漂移流 空穴扩散流 电子漂移流
N
中性区
电子扩散流
无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终达到动态平衡 空间电荷区不再扩展，维持一定的宽度
三、p-n结的能带图
1、能带示意图及说明
电子从费米能级 高的n区流向费 米能级低的p区， 空穴则从p区流 向n区，因此EFn 不断下移，EFp 不断上移，直至 两者相等
合金法制得pn结的杂质分布特点：
n型区中施主杂质浓度为ND，p型区 中受主杂质浓度为NA，且均为均匀 分布。而在交界面处，杂质浓度由 NA（p型）突变为ND（n型）。 具有这种杂质分布的pn结称为突变 结。
突变结的杂质分布
一、p-n结的形成和杂质分布
2.扩散法 下图为扩散法制备pn结的过程。它在n型单晶硅片 上，通过氧化、光刻、扩散等工艺制备得到pn结。
一、p-n结的形成和杂质分布 扩散结的杂质分布由扩散过程和杂质补偿决 定。杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的， 通常称为缓变结。
ND-NA=aj(x-xj)
aj是x=xj处切线的斜率，称为杂质浓度梯度，它决定于扩散杂质的实际分布
pn结工作原理
pn结工作原理PN（pn节）是通过改变PN结的拉伸、缩短，以及在挤压的过程中变形的金属材料，将构件分为两部分，从而被广泛应用于各种结构体系中。
PN结技术在不断发展，性能越来越好，市场十分火爆。
PN结的基本工作原理是：利用金属材料的形变而形成的强有力的节点不仅提供了优异的连接面平整度，而且还提供了良好的拉伸和缩短能力，使构件之间能够形成紧密的连接。
PN结可以调节构件之间的负载，减少构件材料的损耗，提高构件结构的使用寿命。
此外，PN结还具有体积小、节省空间、它可以便捷地安装在构件上，使用成本较低等优点。
具体来说，PN结的形成可以分为三个步骤：拉伸、折叠和符合。
在结构体系的其他部分，拉伸步骤以及折叠步骤将在构件的设计过程中进行，而将拉伸、折叠以及符合步骤整合在一起形成一个完整的PN结构体系。
拉伸步骤是PN结的第一步，是形成PN结的基础，也是最复杂的。
在这一步骤中，通常需要将拉伸锥体的边缘和表面进行精确的加工，同时保证拉伸锥体的尺寸和形状的一致性。
在拉伸步骤完成之后，将拉伸板和折叠板放置在拉伸锥体的拉伸孔中，并将折叠板折叠在拉伸锥体上，以构成完整的拉伸构件。
折叠步骤是PN结的第二步，其主要目的是将折叠板固定在拉伸锥体上，使折叠板形成合理的形状。
折叠步骤中，可以根据被折叠的结构特性，采用不同的折叠方案来实现折叠目的。
折叠的方案可以分为单折、双折、多折、翻转弯折等，每种折叠方案都有其特定的应用场景。
最后一个步骤是符合步骤，符合步骤主要是将折叠好的拉伸锥体和折叠锥体符合在一起，从而形成完整的PN结结构。
在符合过程中，需要将折叠锥体与拉伸锥体量高要求的准确度和严格精度进行定位和结合，以保证PN结的准确性、可靠性和使用寿命。
总的来看，PN结是一种在构件分割结构体系中广泛应用的一种连接技术。
其基本工作原理主要是通过拉伸、折叠和符合三个步骤，将拉伸和折叠锥体紧密组合在一起，构成一个完整的构件结构体系，这样就可以将构件结构体系固定下来，起到良好的连接效果。
PN结
PN结PN结（PN junction）采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。
PN结具有单向导电性。
P是positive的缩写，N是negative禁带宽度(Band gap)是指一个能带宽度(单位是电子伏特(ev)).固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。
要导电就要有自由电子存在。
自由电子存在的能带称为导带（能导电）。
被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。
锗的禁带宽度为0.66ev；硅的禁带宽度为1.12ev；砷化镓的禁带宽度为1.46ev。
禁带非常窄就成为金属了，反之则成为绝缘体。
半导体的反向耐压，正向压降都和禁带宽度有关。
的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。
一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。
PN结有同质结和异质结两种。
用同一种半导体材料制成的PN 结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。
制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。
制造异质结通常采用外延生长法。
P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。
在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。
在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。
N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。
当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。
pn结的名词解释
pn结的名词解释
PN结是指由P型半导体和N型半导体连接而成的结构。
P型半导体具有多个空穴，N型半导体具有多个自由电子。
当P型半导体和N 型半导体相接触时，由于两者之间的浓度差异，会形成空穴和自由电子的扩散运动，从而在接触区域形成一个电势垒。
这个电势垒会阻碍电子和空穴的进一步扩散，形成一个不导电的区域，称为PN结。
PN结具有多种特性和应用。
其中最重要的特性是整流作用，即在外加电压的作用下，PN结会表现出只允许电流在一个方向通过的特性。
这使得PN结可以用于制作二极管，用来将交流电转换为直流电。
此外，PN结还具有发光、光敏和放大等特性，因此在电子器件和光电器件中被广泛应用。
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N区
扩散
2.2.3 非平衡PN结的能带图
（1）正偏
（2）反偏
2.2.4、V-I 特性方程
1、理想PN结模型
（1）小注入。即注入的非平衡少数载流子浓度远 低于平衡多子浓度,即掺杂浓度。 （2）外加电压全部降落在势垒区，势垒区以外为 电中性区。 （3）忽略势垒区载流子的产生-复合作用。通过势 垒区的电流密度不变。 （4）忽略半导体表面对电流的影响。 （5）只考虑一维情况。
硅 PN 结发生雪崩击穿的电场强度为 105～106 V / cm 非破坏性可逆击穿
2.4.2、产生击穿的机构
2、隧道击穿 反向偏压升高 P区价带顶高于 N区导带底 当势垒区宽度较小 P区价带电子按一定几率穿透势垒到达N区 导带 形成电子空穴对 这种效应称 “隧道效应”
N +区 一般： 隧道击穿的电压较低， 如 Si PN 结，VB < 4.5 V 雪崩击穿的电压较高， 如 Si PN 结，VB > 6.7 V 非破坏性可逆击穿 势 垒 区
qDP Pn0 qDnnP0 (e （2） Wn Lp W p Ln I A F WN WP
qVF / kT
1)
（3）小电流下，正向电流比理论值大；要考虑势垒复合电流的 影响。 （4）大电流下，正向电流比理论值小，势垒区以外存在大注入 自建电场。I F 与eqVF 2KT 成正比。 （5）反向电流比理论值大；要考虑表面漏电流及势垒产生电流 JG的影响。 （6）当T升高时，JF增大，JR增大。
2.2 PN结直流V-I特性（肖克莱方程）
非平衡PN结
处于一定偏置状态下的PN结称 为非平衡PN结。 当P区接电源的正极，N区接电 源的负极，称为正向PN结。反 之，则称反向PN结。 外加电压基本降落在势垒区
2.2.1、正向PN结
（1）势垒的变化
正向电压使 势垒区宽度变窄、 势垒高度变低 外加电场与内建电场方向相反 空间电荷区中的电场减弱 破坏扩散与漂移运动间的 平衡 扩散运动强于漂移运动 注入少子 注入的少子边扩散边复合
半导体器件物理
第2章 PN 结
第2章
PN 结
2.1
PN结的形成及空间电荷区 2.2 PN结直流V-I特性 2.3 PN结电容 2.4 PN结击穿
2.1 PN结的形成及空间电荷区 2.1.1、PN结的形成及类型 1、PN 结含义： 在一块N型（或P型）半导体单晶上，用特定的工 艺方法把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块单晶 相连的二个不同区域分别具有N型和P型的导电类型， 在二者交界面的过渡区即称为PN结。
2.3.2、PN结扩散电容
少子浓度分布
P Δ Qs npo
n p
N
Δ Qs -xp xn pno x
CT和CD均并接在PN结上，所以PN结的总增量电容 Cj 为两者之和。 Cj = CT + CD 当外加正向电压时，CD 很大，并且 CD >>CT 故 Cj 以扩散电容为主，Cj ≈ CD
当外加反向电压时，CD 趋于零。 故 Cj 以势垒电容为主，Cj ≈ CT
2.2.4、V-I 特性方程
2.2.4、V-I 特性方程 肖克莱方程
I I0 e
qVA / kT
1
qDP Pn 0 qDn n p 0 I0 A Ln LP
反向电流：
2.2.4、V-I 特性方程
单边结近似
对于P+N结 NA>>ND
qDP Pn 0 qVF / kT qDP ni2 qVF / kT I IP A e A e LP Lp N D
2.1.3、PN结能带图
空间电荷区
平衡PN结能带图
电势
P
xp VD
内建电场
N
xn
空间电荷区又称 势垒区 耗尽层
注意：由“多子”变成“少子”
电子势能 能带
qVD
qVD
EC EF Ei EV
2.1.4、PN结内建电势差
-Xp 0
空间电荷区
Xn
求VD :
电势
电子势能 能带
P
内建电场
N
VD
qVD
qVD
EC EF Ei
EV
2.1.4、PN结内建电势差 （1）突变结：
kT N A N D 式中 NA：P区掺杂浓度； VD ln ND：N区掺杂浓度 q ni2
kT 0.026 V q
ni ：本征载流子浓度
T 300K
对于锗PN结，通常可取VD=0.3—0.4V
对于硅PN结，通常可取 VD=0.6—0.7V
EC P+区 EV
2.4.2、产生击穿的机构
3、热击穿
热损耗局部升温电流增加
破坏性击穿
PN结
P
N
2.1.1、PN结的形成及类型 2、PN结的类型 (1)、突变结
P区
N区
单边突变结 P＋N结 N＋P结
杂 质 浓 度
NA ND xj x
2.1.1、PN结的形成及类型
(2)、缓变结
杂 质 浓 度
N
P
ND -NA
xj
x
2.1.1、PN结的形成及类型
(3)、实际PN结近似 缓变PN结附近杂质浓度 有两种近似处理方法 A。线性缓变结近似 B。突变结近似
N
电子扩散
空穴扩散
2.2.2、反向PN结
（1）反向PN结的少子抽取 反向电压使 势垒区宽度变宽 势垒高度变高
外加电场与内建电场方向相同 增强空间电荷区中的电场 破坏扩散漂移运动平衡 漂移运动强于扩散运动 抽取少子
Ln
Lp
N
漂移
P
P区
扩散
反向偏置时，漂移大于扩散
漂移
空穴： N区
电子： P区
杂 质 浓 度
突变结近似 适用于表面杂质浓度 较高、结深较浅的缓 变结
ND -NA
xj
杂 质 浓 度
x
xj
x
2.1.2、空间电荷区 空间电荷区的形成 载流子浓度差
多子的扩散运动
由杂质离子形成 空间电荷区
空 间 内电 建荷 电区 场形 成
内建电场促使 少子漂移 内建电场阻止 多子扩散
多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
2.2.4、V-I 特性方程
2.坐标 以xn、xp为坐标原点 分别建立坐标系。 步骤： ① 求解“非少子”的扩 散方程 ② →求“非少子”浓度 的边界值 ③ →求“非少子”浓度 梯度 ④ →分别求电子、空穴 的扩散电流密度 ⑤ →求PN结电流
2.2.4、V-I 特性方程
2.2.4、V-I 特性方程
2.1.2、空间电荷区
N
XN
XP
P
空间电荷区XM
基本概念：
空间电荷 空间电荷区
2.1.3、平衡PN结能带图 （没有外加偏压）
空间电荷区
P
xp
电势
内建电场
N
xn
VD
形成PN结前
电子势能 能带
qVD
qVD
EC EF Ei EV
基本概念：
内建电场 内建电势差VD
形成PN结后 平衡PN结有统一的费米能级
Hale Waihona Puke 2.3.1.势垒电容 3.线性缓边结势垒电容、 电场
CT
r 0 A
XD
2.3.1.势垒电容
4、势垒电容的讨论
（1）PN结势垒电容和平板电容不同，是非线性电容 （2）PN结在正偏，零偏及反偏压下均具有电容效应 （3）PN结势垒电容与外加电压有关 正偏电压越高，电容越大。 反偏电压越高，电容越小。 （4）PN结势垒电容与其杂质浓度分布有关 （5）由于采用耗尽层近似，反偏下，计算的结果与 实际值接近，而正偏下计算的CT则误差较大
2.1.5、平衡PN结载流子浓度分布
势垒区本征费米能级 随x的变化
Ei x Eip qV x
（1）空间电荷区内的载流子浓度
EF Ei x kT
Ei x EF kT
nx ni e
px ni e
（2）空间电荷区边界的少数载流子 浓度
np0 qVD qVD nn 0 exp pn 0 p p 0 exp kT kT
对于N+P结 ND>>NA
2 n i
qDn nP 0 qVF / kT qD n qVF / kT I In A e A e Ln Ln N A
讨论：
2.2.5.V-I特性方程的补充（3 — 5为实际PN结的情况）
（1）
I I0 (e
qVA / kT
1) I0e
qVA / kT
N
扩散
P
P区
漂移
正向偏置时，扩散大于漂移
扩散
电子： N区
空穴： P区
漂移
N区
2.2.1、正向PN结
P区 N区 jp jn
（2）正向PN结中载流子的运动 电流在 N 型区中主要由电子携带 电流在 P 型区中主要由空穴携带
Ln Lp
通过 PN 结的电流在扩散区内实 现电流载体转换
空穴漂移
电子漂移
P
2.4 PN结击穿 2.4.1、PN结击穿的含义
I
PN结反向电压超 过某一数值时，反向 电流急剧增加的现象 称为“PN结击穿”， 这时的电压称为击穿 电压（VR）
VR V
2.4.2、产生击穿的机制
产生击穿的机制
雪崩效应
隧道效应
热效应
2.4.2、产生击穿的机制
1、雪崩击穿 PN结加大的反向偏压 载流子从电场获得能量 载流子与势垒区晶格碰撞 能量足够大时价带电子被激发到导带产生一对电子－空穴 新形成的电子、空穴被电场加速，碰撞出新的电子、空穴 载流子倍增