02第二节 PN结

硅为 150℃ —200℃
锗为 75℃ —100℃
四、PN结的击穿特性：
PN结的击穿现象：
ID mA
V(BR) o
V/V
当外加反向电压时，通过 PN结的电流很小，外加电 压增加到一定值V(BR) 时，流过PN结的反向电流剧增。
当反向电流开始剧增时，所对应的反向电压称为击
穿电压，用 V(BR) 表示。
例如
15 I 10 A ，V<0.54V时； 当 S
I I S (e
V VT
1) I S e
0.54V 26mV
V VT
10
15
( A)e
10.5 10
15
( A)
即 其值 1μA以下，只有当V较大时，I才会有明显的数值， 并且V稍有增大，I有迅速增大的特点。
例如 V由V1增大到V2 ，相应的I由I1增大到I2 ,问PN结电压增 量为多少？ 解： 根据 则

1 2
因为VB 小，表明空间电荷区二边的正、负电荷量小，lo 就小； Na 和 Nd 大， xn 和 xp 就必然小，因而， lo 就越小。此外， 温度升高时，由于VB减小，lo也就减小。 lo一般为 μm 数量 级。
突变结
缓变结 超突变结
三、PN结的伏安特性：
1、PN结伏安特性：
是指通过PN结的电流与加在其上电压之间的依存关系。 （1）、正向特性 PN结外加正向电压（简称正偏），即外加直流电源正 极接P区，负极接N区。
VZ
o IZmin IZmax
V/V
主要参数：
（1）稳定电压值，用VZ 表示 （2）最小稳定电流，用IZmin 表示；保证 IZ > IZmin
（3）最大稳定电流，用 IZmax 表示; 保证 IZ < IZmax
（4） 最大耗散功率 用 PZM 表示；PZM =VZIZmax
五、PN结的电容特性：
例如、硅ＰＮ结的IS 约为10-9…10-16A 即 锗ＰＮ结的IS 约为 即
110 7 nA
10 6 10 8 A
110
2
A
IS 又是温度敏感的参数，其值随温度升高而增大，此 外，IS 还与ＰＮ结的面积成正比的增大。
（3）、伏安特性：
理论证明：ＰＮ结的正向特性和反向特性可统一由下面指 数函数表示。 V
V
P
N
内建电场E
阻挡层两端电位差、中性区少子浓度分布
P+
V
N
VB+V -xp -xpo0 l lo npo np(x) -xp 0 xn Pn(x) xno xn
VB x
pno
x
由于外加电源电压V与内建电位差VB的极性一致，因此 PN结两端电位差由VB增大到VB+V 。
结果： PN 结的离子电荷量增加，阻挡层增宽，即内建 电位差增大，漂 移增强，打破了漂移和扩散的动态平衡， ID < IT 。
第二节
PN结
一、PN结制造工艺：
在一块P 型（或N型）半导体中，掺入施主杂质（或受主杂 质），将其中一部分转换为N型（或P型）。这样形成的PN结 保持了两种半导体之间晶格结构的连续性，此制造工艺称为 平面扩散法。
实际的PN结均为不对称结，它的P型和N型半导体具有 不同的掺杂浓度。其中，P区掺杂浓度大于N区的称为 P N 结；N区掺杂浓度大于P区的称为 PN 结。
I I S (e
此式表明： 当Ｖ为正值，即 增大。 若
VT
1)
ＰＮ结正偏时，Ｉ随Ｖ按指数律增大而
V VT
在室温下 e V >>ＶＴ 或 Ｖ＞100ｍＶ 时， 即e
V VT
大于46，
〉〉1
则上是可写为：
I ISe
V VT
或
I I V VT ln 2.3VT lg IS IS
V VT
阻挡层两端电位差、中性区少子浓度分布。
P V N
VB
-xpo -xp0 xn lo l Pn(x) xno
VB-V
x
npo
np(x)
0 xn -xp
pno
x
外加电源的作用：
它必须向P区源源不断地补充失去的空穴（因注入N区， 而失去的空穴及复合非平衡少子电子，而失去的空穴）；向 N区源源不断地补充失去的电子（因注入P区，而失去的电子 及复合非平衡少子空穴，而失去的电子）。
作用下价电子比较容易挣脱共价键束缚 → 产生场致激发。 因此，齐纳击穿电压随温度升高而降低，具有负的温度系数。 一般来说，6V以下属于齐纳击穿，6V以上属于雪崩 击穿，在 6V左右时，两种击穿将会同时发生相应击穿电压 的温度系数趋近于零。
4、稳压二极管：
利用 PN 结反向击穿特性，制成的二极管，称为稳 压二极管或齐纳二极管，简称稳压管。 稳压二极管的伏安特性曲线 ID mA 稳压二极管的电路符号
1、雪崩击穿： 发生在掺杂浓度较低的PN结中，随着反向电压的增大，PN 结内部电场增强，载流子的漂移速度相应加快，致使动能加大， 当向电压增大到V(BR) 数值时，载流子获得的动能，足以把束缚 在共价键中的价电子碰撞出来， 产生新的自由电子–空穴对 获得动能、碰撞 产生新的自由电子–空穴对 获得动能、碰撞
V
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。
I I V VT ln 2.3VT lg IS IS
I1 V1 2.3VT lg IS
I2 V2 2.3VT lg IS
I2 I1 V2 V1 2.3VT lg 2.3VT lg IS IS
I2 2.3VT lg I1
若
I 2 10 I 1 时：
V2 V1 2.3VT 2.3 26mV 60mV
若 I 2 100 I1 时：
V2 V1 2.3 2VT 2.3 2 26mV 120 mV
可见，V每增加60mV ，I 将按10的幂次方迅速增大。
在工程上定义一电压，称为导通电压（或称为开启电 压），用 VD(on) 表示，认为当 V > VD(on) 时 ， PN结正向导 通。 当 V < VD(on) 时， PN结截止。
3、击穿电压的温度特性： 雪崩击穿： 温度↑→ 晶格的热振动加剧 自由路程缩短
致使载流子运动的平均
碰撞 前获得外加电场的能量减小 →
因此只有加 大反向电压 → 发生碰撞而电离的可能性减小 才能发生雪崩击穿。 因此，雪崩击穿电压随温度升高而增大，具有正的温度系数。 齐纳击穿： 温度↑→ 共价键中的价电子所具有能量状态增高 → 在电场的
式中
Na Nd ni
2
VT
kT q
VT 称为热电压，单位为伏特。
当室温为 T 300 K 时
VT 26 mv
上式表明，PN结两边的掺杂浓度Na、Nd 越大，ni 越小， VB就越大。 锗的ni 大于硅，因而硅的VB 大于锗。
P区
空间电荷区
N区
内建电场E
P N
结的内建电位差
V
VB -XP 0 Xn
在内建电场的作用下，P区在阻挡层边界处的少子电子 漂移到 N 区 N 区在阻挡层边界处的少子空穴漂移到 P 区，因 此阻挡层两侧边界处的少子浓度等于零。
外加反偏时，通过阻挡层的电流主要是由两边少子通 过PN结漂移而形成，自N区流向P区的电流，同理： 必须 保证P区与N区处于电中性。
通过上述分析可知： （1）、热平衡少子浓度远小于多子浓度，因而外加反偏时， 由少子形成的反向电流，将小于外加正偏时，由多子形成的 正向电流。 （2）、若当反向电压稍大时，多子通过PN结的扩散作用可 以忽略，反向电流几乎全是由少子漂移作用而形成的，其值 几乎与 外 加反向电压大小无关，故反向电流又称为反向饱 和电流，用IS 表示。 （3）、IS是由少子通过PN结漂移而形成，因而，其值与PN 结两边的掺杂浓度有关，两边掺杂浓度越大，相应的热平衡 少子浓度 Pno 、npo 就越小，IS也就越小。
扩散和漂移运动达到动态平衡：
I D IT
此时通过空间电荷区的总电流为零，因而通过PN结 的净电流为零。 PN结可称为：空间电荷区、耗尽区、阻挡层、势垒区。
2、内建电位差: 内建电位差：由内建电场E产生的电位差，用 VB 表示 根据动态平衡条件：
I D IT
求得VB 近似表达式
V B VT ln
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
当V为负值，即 PN结反偏时，并且有 |V|>>VT 时
I I S (e
e
源自文库V VT
1)
→0
则
I≈-IS
因此，流过PN结的电流为反向饱和电流。
通过实际测量，用描点法可绘出PN结的伏安特性曲线：
V VT
I
I I S (e
1)
0 V
实际上，当外加正偏电压时，I 虽然按V的指数规律增大， 但是，由于IS很小， 因此，当V不太大时，I仍是很小的数值， PN结几乎不导通，类似于反偏的情况。
工程上，一般取： 硅PN结： VD(on) =0.7V 锗PN结： VD(on) =0.25V
（4）、温度特性： 当温度升高时，PN结两边的热平衡少子浓度相应增加， 从而导致PN结的反向饱和电流IS 增大。 随温度变化的伏安特性曲线 ID/mA
V B VT ln
Na Nd ni
2
3
2 ID 1 T2
PN结出了上述的电流随电压变化的非线性电阻外，还 具电荷量随电压变化（伏库特性）的非线性电容特性。
这种特性由势垒电容和扩散电容两部分组成。 势垒电容：用CT 表示。 扩散电容：用CD 表示。 PN结电容，用Cj 表示。
Xn X p
2 Na Nd lo xn x p q VB N N a d
1 2
还可证明，动态平衡下PN结的阻挡层宽度为：
式中、ε为介电常数，由此式可知，VB 越小或者Na和Nd 越大，lo就越小。
2 Na Nd lo xn x p q VB N N a d
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。
致使PN结中的载流子的数量急剧增多
流过PN结的反向电流也就急剧增大。
2、齐纳击穿： 发生在掺杂浓度较高的PN结中，当PN结两边的掺杂浓 度很高时，PN结将变得很薄，此时碰撞机会很小，不容易发 生碰撞电离。 但这种结构不用加太大的反向电压，就能建立很强的 电场，足以把 PN结内中性原子的价电子直接从共价键中拉 出来，产生新 的自由电子–空穴对，这种过程称作场致激发， 场致激发能产生大量的载流子，是通过 PN结的反向电流剧 增，呈现反向击穿现象。 小结： （1）、雪崩击穿的击穿电压较高，其值随掺杂浓度降低而增大。 （2）、齐纳击穿的击穿电压较低，其值随掺杂浓度增大而减小。
即： 外电源向P区补充空穴就是从P区拉出电子，显然， 这些电子 恰好是N区所需补充的，因此，外电路仅有自N区 通过外电源流向 P 区的电子电流。实际上，补充的目的，就 是为了满足在 P区、 N 区的电中性条件，通常将 P区和 N区统 称为中性区。
（2）、反向特性：
PN结外加反向电压（简称反偏）：即 P 区接电源的负 极，N区接电源的正极。
T2>T1 T1 V/V
-2
-1
0 0.2 0.4 0.6 0.8
实验结果表明 温度每升高10℃，IS 约增加一倍； 温度每升高1℃，VD(on) 约减小2.5mV。 当温度进一步升高时，热平衡少子浓度进一步增加。 在极端的情况下，本征激发占支配地位，杂质半导体就变得 与本征半导体相似，PN结也就不存在了。 PN结受最高工作温度的限制：