PN结

综上所述： 结加正向电压时 结加正向电压时， 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； 结加反 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， 向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂 结具有单向导电特性。 移电流。 移电流。 即PN结具有单向导电特性。 结具有单向导电特性
四、PN结的电容特性 结的电容特性
• 按电容的定义 C = Q 或C = dQ
U dU
• 即电压变化将引起电荷变化 从而反映出电 即电压变化将引起电荷变化, 容效应。 ＰＮ结两端加上电压 ＰＮ结内 结两端加上电压, 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结具有电容效应 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 B和扩散电容 D 结的电容效应势垒电容 和扩散电容C 结的电容效应势垒电容C 两部分组成。 两部分组成。
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
PN结 结
一、PN结的形成 结的形成 PN结的单向导电性 二、PN结的单向导电性 三、PN结的击穿特性 结的击穿特性 四、PN结的电容效应 结的电容效应 五、PN结的温度特性 结的温度特性
• P型半导体和 型半导体相结合 型半导体和N型半导体相结合 型半导体和 型半导体相结合——PN结 结 • PN结是构造半导体器件的基本单元。其 结是构造半导体器件的基本单元。 结是构造半导体器件的基本单元 最简单的晶体二极管就是由PN结构 中，最简单的晶体二极管就是由 结构 成的。 成的。
（一）雪崩击穿
• 在轻掺杂的 结中，当外加反向电压时 ， 在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时， 结中 耗尽区较宽， 耗尽区较宽 ， 少子漂移通过耗尽区时被加 动能增大。 当反向电压大到一定值时， 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， 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， 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、 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、 空穴被强电场加速后 ， 又会撞出新的电子 、 空穴对。如此链锁反应, 空穴对。如此链锁反应 使反向电流迅速增 这种击穿称为雪崩击穿 雪崩击穿。 大。这种击穿称为雪崩击穿。
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，
(1) 势垒电容 B 势垒电容C
势垒电容是由耗尽区的空间电荷区引起的。 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 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。 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 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。 量减小，犹如电容的放电。 耗尽层中存贮 W+△W △ 的电荷量随外 W 加电压的变化 而改变。 而改变。这一 特性正是电容 效应， 效应，并称为 势垒电容， 势垒电容，用 CB表示。 表示。
• 发生击穿并不一定意味着 结被损坏。 发生击穿并不一定意味着PN结被损坏 结被损坏。 • 当PN结反向击穿时 只要注意控制反向电 结反向击穿时, 结反向击穿时 流的数值(一般通过串接电阻 实现), 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 其过大 以免因过热而烧坏 结, 当反向电 绝对值)降低时 压(绝对值 降低时 PN结的性能就可以恢复 绝对值 降低时, 结的性能就可以恢复 正常。 正常。 • 稳压二极管正是利用了 结的反向击穿特 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 性来实现稳压的 当流过 结的电流变化 结电压基本保持不变。 时, 结电压基本保持不变。
（二）齐纳击穿
• 在重掺杂的 结中，耗尽区相对很窄，所以不大 在重掺杂的PN结中，耗尽区相对很窄， 结中 的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。 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， 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， 中性原子的价电子直接拉出共价键 ， 产生大量电 空穴对，使反向电流急剧增大。 子 、 空穴对 ， 使反向电流急剧增大 。 这种击穿称 齐纳击穿或场致击穿。 为齐纳击穿或场致击穿。 • 一般来说 ， 对硅材料的 结 ， UBR>7V时为雪崩 一般来说， 对硅材料的PN结 时为雪崩 击穿； 时为齐纳击穿； 介于4~7V时， 击穿； UBR <4V时为齐纳击穿； UBR介于 时为齐纳击穿 时 两种击穿都有。 两种击穿都有。
• 扩散电容是 结在正偏时, 多数载流子在扩散过 扩散电容是PN结在正偏时 结在正偏时 程中引起电荷积累而产生的。 程中引起电荷积累而产生的。
PN结正向偏置时，N区和 区形 结正向偏置时， 区和 区和P区形 结正向偏置时 成一定的非平衡载流子的浓度分 区积累了电子， 布。P区积累了电子，即存贮了 区积累了电子 一定数量的负电荷； 区也积累 一定数量的负电荷；N区也积累 了空穴， 了空穴，即存贮了一定数即正电 正向电压加大时，扩散增强， 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 相当于电容器的充电；相反， 积，相当于电容器的充电；相反， 当正向电压减小时，扩散减弱， 当正向电压减小时，扩散减弱， 造成两个区域内电荷的减少， 造成两个区域内电荷的减少，这 相当于电容器放电。 相当于电容器放电。
(2) 扩散电容CD
势垒电容随外加反向电压增大而增大； 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。 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
• PN结上的总电容 j——结电容，是势垒电容与扩 结上的总电容C 结电容， 结上的总电容 结电容 散电容之和。 散电容之和。 即Cj＝ＣB＋ＣＤ 一般说来, 结正偏时, 一般说来 PN结正偏时 扩散电容起主要作用 Ｃｊ 结正偏时 扩散电容起主要作用, ≈ＣＤ；当PN结反偏时 势垒电容起主要作用 即Ｃ 结反偏时, 结反偏时 势垒电容起主要作用,
P N
在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, 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 型半导体。此时将在N型半 型半导体和P型半导体 分别形成 型半导体和 型半导体。此时将在 型半 型半导体的结合面上形成如下物理过程: 导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程 导体和 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 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
− qUB
不对称PN结 不对称 结
耗尽区 耗尽区
P＋
N
P
N＋
(a)
(b)
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如果P区和 区一边掺杂浓度大 重掺杂)， 如果 区和N区一边掺杂浓度大 重掺杂 ，一边掺杂 区和 区一边掺杂浓度大(重掺杂 浓度小(轻掺杂 则称为不对称结 轻掺杂)， 不对称结， 浓度小 轻掺杂 ，则称为不对称结，用P+N或PN+表 或 号表示重掺杂区)。 示(+号表示重掺杂区 。这时耗尽区主要伸向轻掺杂 号表示重掺杂区 区一边. 区一边
一、PN结的形成 结的形成
P N P
耗尽层 势垒区 势垒
空间电荷区 N
(a)
内电场 UB (b)
扩散运动： 扩散运动：空间电荷区展宽 漂移运动： 漂移运动：空间电荷区变窄 多子的扩散和少子漂移运动 达到动态平衡。 达到动态平衡。 P区和 区的掺杂浓度相同对称结 区和N区的掺杂浓度相同 区和
电 位 U 电 子 势 能
－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 ℃
正 向 电 流 IF
＋
外电场
U
内电场
－
UB－U E R
少数载流子形成的漂 移电流方向相反， 移电流方向相反，很 可忽略。 小，可忽略。
PN结处于导通状态, 表现为一个很小的电阻 结处于导通状态, 结处于导通状态
（二）、PN结加反向电压 ）、 结加反向电压
将电源的正极接Ｎ 负极接Ｐ 将电源的正极接Ｎ区, 负极接Ｐ区——PN结加反 结加反 向电压或反向偏置(简称反偏) 简称反偏 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) (高达几百千欧以上)。
PN结U-I特性曲线 结 特性曲线
UT热电势。室温下即T=300K时,UT=26mV 热电势。室温下即 时
三、PN结的击穿特性 结的击穿特性
• 当反向电压超过UBR后稍有增加时，反 当反向电压超过 后稍有增加时， 向电流会急剧增大，这种现象称为PN 向电流会急剧增大 ， 这种现象称为 结击穿， 并定义U 结的反向击 结击穿 ， 并定义 BR 为 PN结的 反向击 结的 穿电压。 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 雪崩击穿和齐纳击穿
－ 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， 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 的漂移电流是恒定的， 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， 反向饱和电流I 电压的大小无关，这个电流也称为 反向饱和电流IS。