- PN结的形成与基本结构
- PN结的能带图分析
- PN结的直流特性（核心物理特性）
- PN结的电容效应
- PN结的击穿特性
- PN结的温度特性
- PN结的应用
PN结的形成与基本结构
基本结构
PN结是通过在一块本征半导体（通常是硅Si或锗Ge）中，通过掺杂工艺使其一部分成为P型半导体，另一部分成为N型半导体,在它们的交界处形成的特殊结构区域。
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- N型半导体：在本征半导体中掺入少量五价元素（如磷P、砷As），这些五价原子替代晶格中的四价原子，会多出一个自由电子,形成以电子为多数载流子的半导体。
- P型半导体：在本征半导体中掺入少量三价元素（如硼B、铝Al），这些三价原子替代晶格中的四价原子，会多出一个空穴（可视为带正电的载流子）,形成以空穴为多数载流子的半导体。
形成过程（关键物理过程）
当P型和N型半导体紧密接触时，由于交界处两侧的载流子浓度存在巨大差异,会发生以下两种物理过程：
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扩散运动
- 物理本质：由浓度梯度驱动的定向运动。
- 过程：
- N区的电子（多数载流子）会向P区扩散。
- P区的空穴（多数载流子）会向N区扩散。
- 结果：电子和空穴在交界面附近相遇并复合（电子填补空穴），这导致：
- N区交界面附近因失去电子而暴露出带正电的施主离子（不可移动）。
- P区交界面附近因失去空穴而暴露出带负电的受主离子（不可移动）。
- 在交界处形成一个由不可移动的正、负离子构成的空间电荷区，也称为耗尽层或势垒区。
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内建电场的形成与漂移运动
- 物理本质：由电场驱动的载流子运动。
- 过程：
- 空间电荷区内的正、负离子形成了一个从N区指向P区的内建电场。
- 这个电场会对多数载流子（电子和空穴）产生一个阻碍其继续扩散的力，即势垒或势垒电压。
- 这个内建电场会驱动少数载流子运动：它会把N区的空穴（少数载流子）拉回P区，把P区的电子（少数载流子）拉回N区，这种载流子在电场作用下的运动称为漂移运动。
- 结果：当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，通过交界面的净载流子子为零，PN结的宽度（耗尽层宽度）和内建电场强度也达到一个稳定值。
PN结的能带图分析
能带图是理解PN结电学特性的最直观工具。
（图片来源网络，侵删）
- 平衡态（零偏压）：
- 在N型半导体中，费米能级（$E_F$）更靠近导带底（$E_c$）。
- 在P型半导体中，费米能级（$E_F$）更靠近价带顶（$E_v$）。
- 形成PN结后，由于费米能级必须在整个系统中保持恒定（热平衡条件），N区的能带会整体“上移”，P区的能带会整体“下移”,直到两者的费米能级拉平。
- 这个能带弯曲的区域就是耗尽层，能带弯曲的高度差就等于内建电势差 $V_{bi}$，它代表了电子从P区移动到N区（或空穴从N区移动到P区）需要克服的能量势垒。$V_{bi}$的大小与掺杂浓度有关，通常为0.7V（硅）或0.3V（锗）。
PN结的直流特性（核心物理特性）
这是PN结最重要的特性，决定了其作为开关、整流等应用的基础。
A. 外加正向偏压
- 连接方式：P区接电源正极,N区接电源负极。
- 物理过程：
- 外加电场方向与内建电场方向相反。
- 外加电场削弱了内建电场，导致势垒降低（从$V{bi}$降至$V{bi} - V_F$）。
- 势垒降低使得多数载流子的扩散运动变得容易,打破了原有的动态平衡。
- 大量的电子从N区注入P区，大量的空穴从P区注入N区，这些注入的载流子成为少数载流子，并在扩散过程中复合，形成较大的正向电流$I_F$。
- 电流-电压特性：
- 正向电流$I_F$随正向电压$V_F$呈指数关系增长，遵循肖克利二极管方程： $I_F = I_S (e^{\frac{qV_F}{kT}} - 1) \approx I_S e^{\frac{qV_F}{kT}}$
- $I_S$是反向饱和电流，由热激发产生的少数载流子形成,数值很小且对温度敏感。
- $q$是电子电荷。
- $k$是玻尔兹曼常数。
- $T$是绝对温度。
- $\frac{kT}{q}$在室温下约等于26mV，称为热电压。
- 特性：正向偏压时，PN结呈现低电阻，处于导通状态。
B. 外加反向偏压
- 连接方式：P区接电源负极,N区接电源正极。
- 物理过程：
- 外加电场方向与内建电场方向相同。
- 外加电场增强了内建电场，导致势垒升高（从$V{bi}$升至$V{bi} + V_R$）。
- 势垒升高使得多数载流子的扩散运动几乎被完全抑制。
- 势垒的增强有利于少数载流子的漂移运动，在N区由热激发产生的空穴和P区由热激发产生的电子，一旦运动到耗尽层边缘，就会被内建电场迅速扫过PN结，形成微弱的反向电流$I_R$。
- 电流-电压特性：
- 反向电流$I_R$非常小，且在一定的反向电压范围内，基本不随电压变化，称为反向饱和电流$I_S$。
- 肖克利方程变为：$I_R = I_S (e^{\frac{-qV_R}{kT}} - 1) \approx -I_S$
- 特性：反向偏压时，PN结呈现高电阻，处于截止状态。
PN结的电容效应
PN结的耗尽层内存在电荷，并且其宽度和电荷量会随外加电压变化，因此它具有电容效应,这会影响PN结在高频电路中的性能。
A. 势垒电容（耗尽层电容）
- 物理本质：耗尽层就像一个被绝缘介质（耗尽层）隔开的平行板电容器，外加反向偏压增加时，耗尽层变宽（极板间距增大），存储的电荷量增加（极板面积不变），电容减小,反之亦然。
- 特点：与反向偏压的平方根成反比。$C_T \propto \frac{1}{\sqrt{V_R}}$。
- 影响：在变容二极管中，就是利用这个特性来制造可调谐电容器，在高频应用中,势垒电容是限制器件速度的主要因素之一。
B. 扩散电容
- 物理本质：仅存在于正向偏压下，当PN结正向导通时，在P区和N区的中性区内，会积累大量的非平衡少数载流子（注入的电子和空穴），当正向电压变化时，这些积累的电荷
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