PN结

在一块本征半导体中，掺以不同的杂质，使其一边成为Ｐ型，另一边成为Ｎ型，在Ｐ区和Ｎ区的交界面处就构成了一个ＰＮ结。

ＰＮ结的构成
（1）当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时，因为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当地向浓度低的当地分散。可是，电子和空穴都是带电的，它们分散的成果就使Ｐ区和Ｎ区中本来的电中性条件破坏了。Ｐ区一侧因失掉空穴而留下不能移动的负离子，Ｎ区一侧因失掉电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子一般称为空间电荷，它们会集在Ｐ区和Ｎ区交界面邻近，构成了一个很薄的空间电荷区，这便是咱们所说的ＰＮ结，如图1所示。

 
（2）在这个区域内，大都载流子或已分散到对方，或被对方分散过来的大都载流子(到了本区域后即成为少量载流子了)复合掉了，即大都载流子被耗费尽了，所以又称此区域为耗尽层，它的电阻率很高，为高电阻区。

（3）Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因而空间电荷区呈现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，因为这个电场是载流子分散运动构成的，而不是外加电压构成的，故称为内电场，如图2所示。

（4）内电场是由多子的分散运动引起的，伴跟着它的树立将带来两种影响：一是内电场将阻止多子的分散，二是P区和N区的少子一旦接近PN结，便在内电场的效果下漂移到对方，使空间电荷区变窄。

（5）因而，分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分散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场削弱，有利于多子的分散而不利于少子的漂移。当分散运动和漂移运动到达动态平衡时，交界面构成安稳的空间电荷区，即ＰＮ结处于动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。

ＰＮ结的单向导电性
PN结在未加外加电压时，分散运动与漂移运动处于动态平衡，经过PN结的电流为零。
（1）外加正向电压（正偏）

当电源正极接P区，负极接N区时，称为给pN结加正向电压或正向偏置，如图3所示。因为PN结是高阻区，而P区和N区的电阻很小，所以正向电压简直悉数加在PN结两头。在PN结上发作一个外电场，其方向与内电场相反，在它的推进下，N区的电子要向左面分散，并与本来空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变窄。相同，P区的空穴也要向右边分散，并与本来空间电荷区的负离子中和，使空间电荷区变窄。成果使内电场削弱，破坏了PN结原有的动态平衡。所以分散运动超过了漂移运动，分散又继续进行。与此一起，电源不断向P区弥补正电荷，向N区弥补负电荷，成果在电路中构成了较大的正向电流IF。并且IF 跟着正向电压的增大而增大。

（2）外加反向电压（反偏）

当电源正极接N区、负极接P区时，称为给PN结加反向电压或反向偏置。反向电压发作的外加电场的方向与内电场的方向相同，使PN结内电场加强，它把P区的多子（空穴）和N区的多子（自由电子）从PN结邻近拉走，使PN结进一步加宽，PN结的电阻增大，打破了PN结本来的平衡，在电场效果下的漂移运动大于分散运动。这时经过PN结的电流，主要是少子构成的漂移电流，称为反向电流IR。因为在常温下，少量载流子的数量不多，故反向电流很小，并且当外加电压在必定规模内改动时，它简直不随外加电压的改动而改动，因而反向电流又称为反向饱和电流。当反向电流能够疏忽时，就可以为PN结处于截止状况。值得注意的是，因为本征激起随温度的升高而加重，导致电子一空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增长。反向电流是构成电路噪声的主要原因之一，因而，在规划电路时，有必要考虑温度补偿问题。

综上所述，PN结正偏时，正向电流较大，适当于PN结导通，反偏时，反向电流很小，适当于PN结截止。这便是PN结的单向导电性。

PN结的伏安特性
伏安特性曲线：加在PN结两头的电压和流过二极管的电流之间的联系曲线称为伏安特性曲线，如图4所示。u>0的部分称为正向特性，u<0的部分称为反向特性。它直观形象地表明了PN结的单向导电性。
式中 iD——经过PN结的电流

vD——PN结两头的外加电压

VT——温度的电压当量，VT = kT/q = T/11600 = 0.026V，其间k为波耳兹曼常数（1.38×10–23J/K），T为热力学温度，即绝对温度（300K），q为电子电荷（1.6×10–19C）。在常温下，VT ≈26mV。
e——自然对数的底

Is——反向饱和电流，关于分立器材，其典型值为10-8~10-14A的规模内。集成电路中二极管PN结，其Is值则更小.
由此可看出PN结的单向导电性。

PN结的击穿特性
当PN结上加的反向电压增大到必定数值时，反向电流忽然剧增，这种现象称为PN结的反向击穿。PN结呈现击穿时的反向电压称为反向击穿电压，用VB表明。反向击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿两类。

1）雪崩击穿

当反向电压较高时，结内电场很强，使得在结内作漂移运动的少量载流子取得很大的动能。当它与结内原子发作直接磕碰时，将原子电离，发作新的”电子一空穴对”。这些新的”电子一空穴对”，又被强电场加快再去磕碰其它原子，发作更多的”电子一空穴对”。如此链锁反响，使结内载流子数目剧增，并在反向电压效果下作漂移运动，构成很大的反向电流。这种击穿称为雪崩击穿。明显雪崩击穿的物理实质是磕碰电离。
（2）齐纳击穿

齐纳击穿一般发作在掺杂浓度很高的PN结内。因为掺杂浓度很高，PN结很窄，这样即便施加较小的反向电压（5V以下），结层中的电场却很强（可达 左右）。在强电场效果下，会强行促进PN结内原子的价电子从共价键中拉出来，构成”电子一空穴对”，然后发作很多的载流子。它们在反向电压的效果下，构成很大的反向电流，呈现了击穿。明显，齐纳击穿的物理实质是场致电离。采纳恰当的掺杂工艺，将硅PN结的雪崩击穿电压可控制在8～1000V。而齐纳击穿电压低于5V。在5～8V之间两种击穿或许一起发作。
PN结的电容效应
PN结具有必定的电容效应，它由两方面的要素决议。一是势垒电容CB，二是分散电容CD。

(1)势垒电容CB
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层构成的。当外加电压使PN结上压降发作改动时，离子薄层的厚度也相应地随之改动，这适当PN结中存储的电荷量也随之改动，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图5。

(2)分散电容CD

分散电容是由多子分散后，在PN结的另一旁边面堆集而构成的。因PN结正偏时，由N区分散到P区的电子，与外电源供给的空穴相复合，构成正向电流。刚分散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的邻近，构成必定的多子浓度梯度散布曲线。反之，由P区分散到N区的空穴，在N区内也构成相似的浓度梯度散布曲线。分散电容的示意图如图01.10所示。

当外加正向电压不一起，分散电流即外电路电流的巨细也就不同。所以PN结两边堆积的多子的浓度梯度散布也不同，这就适当电容的充放电进程。势垒电容和分散电容均是非线性电容。