1.2 PN结

在一块N型（或P型）半导体上，用杂质补偿的方法掺入一定数量的三价元素（或五价元素）将部分区域转换成P型（或N型），则在它们的界面处便生成PN结。PN结是晶体二极管及其他半导体器件的基本结构，在集成电路及半导体元器件中具有极其重要的作用。

1.2.1 PN结的形成及特点

1.PN结的形成

PN结并不是简单的将P型和N型材料压合在一起，它是根据“杂质补偿”的原理，采用合金法或平面扩散法等半导体工艺制成的。虽然PN结的物理界面把半导体材料分为P区和N区，但整个材料仍然保持完整的晶体结构。

假设P区和N区结合初期，在N型和P型半导体的界面两侧明显地存在着电子和空穴的浓度差，将导致载流子的扩散运动：N型半导体中电子（多子）向P区扩散，这些载流子一旦越过界面，就会与P区空穴复合，在N区靠近界面处留下正离子，P区生成负离子；同理，P型半导体中的空穴（多子）由于浓度差向N区扩散，与N区中电子复合，在P区靠近界面处留下负离子，N区生成正离子。伴随着这种扩散和复合运动的进行，在界面两侧附近将形成一个由正离子和负离子构成的空间电荷区，如图1-12所示。

显然，空间电荷区内存在着由N区指向P区的电场，N区一侧为正，P区一侧为负，这个电场称为内建电场E。另外，内建电场E的形成又将阻止两区多子的扩散，同时有利于形成两区内少子的漂移运动。或者说，内建电场将产生两区内少子的越结漂移电流，在一定程度上将抵消两区多子越结的扩散电流。

显然，半导体中多子的扩散运动和少子的漂移运动是一对矛盾运动的两个方面。随着多子扩散的进行，空间电荷区内的离子数增多，内建电场增强；与此同时，随着内建电场的增强，有利于少子的漂移，漂移电流将增大。最终，当漂移电流和扩散电流相等时，将达到一种动态的平衡，PN结即形成。这时，再没有净的电流流过PN结，也不会有净的电荷迁移。

2.PN结的特点

PN结的特点如下。

（1）空间电荷区的宽度决定于杂质浓度。若P区和N区的掺杂浓度不同，这种PN结称为不对称PN结。例如，P+N结表示P区的掺杂浓度远高于N区；PN+结表示N区的掺杂浓度远高于P区。由于PN结内P区一侧的负离子数几乎等于N区一侧的正离子数，因此，掺杂低的一侧因离子的密度较低，使PN结在该侧的宽度更宽。换言之，杂质浓度越高，空间电荷区越薄，空间电荷区向杂质浓度低的一侧延伸。半导体器件中的PN结一般都是不对称的PN结。需要指出：实际上PN结的宽度是很小的，只有μm量级。

（2）空间电荷区是非中性区。如图1-13所示，在空间电荷区内形成一定的电荷分布ρ（x），P区为负，N区为正，界面处为零。故在电荷区内形成一定的电场分布：，ε为介质常数。从而在空间电荷区内形成一定的电位差（接触电位差或内建电位差）。其中空间电荷区内电位分布为

根据半导体物理的理论可以推出PN结的内建电位差（内建电压）为

式中，UT=kT/q（热力学电压）。常温下（T=300 K），UT=26 mV。

PN结内建电场和内建电位差UΦ主要由半导体材料的种类决定。一般硅（Si）PN结的UΦ=0.6～0.8 V；锗（Ge）PN结的UΦ=0.2～0.3 V。

（3）如图1-13所示，由于电子带负电荷，处于高电势处的电子具有较低位能，而处于低电势处的电子具有较高位能，所以N区电子比P区能量低eUΦ，N区电子要到达P区或P区空穴要到达N区必须克服势垒eUΦ，即势垒阻碍了扩散运动。故空间电荷区也称为势垒区或阻挡层。

（4）PN结外P区和N区的载流子数和杂质离子数几乎相等。但空间电荷区内由于有大量的不能移动的离子，是载流子不能停留的区域，因而结内载流子数远小于结外的载流子数。可以认为PN结内的载流子在PN结形成过程中已被近似“耗尽”完毕，故PN结又称为耗尽层（depletion layer）。

1.2.2 PN结的单向导电特性

前面讨论的PN结是没有外接电压时的情况，称为开路PN结或平衡状态PN结。当P区和N区外接电压时，外电路会产生电流。一般在PN结两端外接直流电压称为偏置，“偏置”一词源于英文Bias，泛指在半导体器件上所加的直流电压和电流。PN结的偏置方式有两种：正向偏置和反向偏置。本节将讨论PN结在不同偏置下电流随电压变化的规律。

1.正向偏置的PN结

若在PN结外加正偏直流电压UD使P区接高电位，N区接低电位，称这种偏置方式为PN结正向偏置，简称正偏。

由于PN结内的载流子数远小于结外P区和N区的载流子数（耗尽层），PN结相对于结外的P区和N区而言是高阻区，因此，外加电压UD几乎完全作用在结层上。由于UD的方向与内建电压UΦ的方向相反，使得结层内的电位差减小为（UΦ-UD），势垒高度降低，电场减弱，离子数也相应减少，PN结变薄。原来扩散与漂移的平衡状态被破坏，扩散运动占优势，漂移减弱，扩散运动大于漂移运动，两区多子将产生净的越结扩散电流。根据电流的连续性原理，外电路通过电源的正负极也产生相应的电流。PN结正偏时空间电荷层和势垒的变化及正向电流方向如图1-14（a）所示。

显然，正偏电压越大，PN结内的电场越弱，越结的扩散电流越大，外电路电流也越大。但是在实际应用中，外加电压U不允许超过内建电压UΦ。否则，过大的电流会在P区和N区产生欧姆压降，迫使加在结上的电压小于内建电压，且过大的电流往往会导致PN结因发热而烧坏。在实际应用中为防止这种现象，常在电路中串接一个小的限流电阻R，如图1-14（b）所示。

由以上分析可知，正偏PN结会产生随正向电压增大而增大的正向电流，正向电流实质是P区和N区的多子扩散电流，电流较大，所以通常称正偏PN结是导通的。

2.反向偏置的PN结

当在PN结外加的直流电压UR使P区接低电位，N区接高电位时，称这种偏置方式为PN结的反向偏置，简称反偏。

PN结反偏时，作用在PN结上的反偏外电压UR与内建电压UΦ方向相同，使结内的电位差增大为（UΦ+UR），即势垒增高，内建电场增强；结内离子数也相应会增多，PN结变宽。原来扩散与漂移的平衡状态被破坏，漂移占优势，扩散减弱，漂移运动大于扩散运动，于是产生净的越结漂移电流。但是，这个漂移电流是空间电荷区边界处两区的少子被电场力拉向对方区域形成的，即紧邻边界的P区一侧的由由电子被拉向N区，N区一侧的空穴被拉向P区。由于少子的浓度随温度变化，当环境温度一定时随着反偏电压的增加，漂移电流将达到一个“饱和”值，即漂移电流不再随反偏电压的增加而增加，故该电流通常称为反向饱和电流，用IS 表示。图1-15画出了反偏PN结空间电荷区和势垒的变化以及IS的方向。

反向饱和电流IS其实质是少子的漂移电流。由于两区少子数量极少，故IS是很小的。硅PN结的IS可以小到pA量级。另外，由于少子的数量随温度的增加而增加，故IS也随温度的增加而增加。

由以上分析可知：反偏PN结只能在外电路产生数值极小的反向饱和电流IS，反向电流远小于正向电流，即ID≫|IS|。当IS忽略不计时，通常可以认为，反偏PN结是截止（不导通）的。另外，该电流是温度的敏感函数，是影响PN结正常工作的主要原因。