PN接面（电子技术中许多元件的物质基础）

简介

PN结是电子技术中许多元件，例如半导体二极体、双极性电晶体的物质基础。

历史

1948年，威廉·肖克利的论文《半导体中的P-N结和P-N结型电晶体的理论》发表於贝尔实验室内部刊物。肖克利在1950年出版的《半导体中的电子和电洞》中详尽地讨论瞭结型电晶体的原理，与约翰·巴丁、沃尔特·布喇顿共同发明的的点接触型电晶体所采用的不同的理论。

原理

掺入少量杂质磷元素（或锑元素）的矽晶体（或锗晶体）中，由於半导体原子（如矽原子）被杂质原子取代，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子。於是，N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体，其导电性主要是因为自由电子导电。

掺入少量杂质硼元素（或铟元素）的矽晶体（或锗晶体）中，由於半导体原子（如矽原子）被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个「电洞」，这个电洞可能吸引束缚电子来「填充」，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导体由於含有较高浓度的「电洞」（「相当於」正电荷），成为能够导电的物质。

漂移运动

上面叙述的两种半导体在外加电场的情况下，会作定向运动。这种运动成为电子与电洞（统称「载子」）的「漂移运动」，并产生「漂移电流」。

根据静电学，电子将作与外加电场相反方向的运动，并产生电流（根据传统定义，电流的方向与电子运动方向相反，即和外加电场方向相同）；而电洞的运动方向与外加电场相同，由於其可被看作是「正电荷」，将产生与电场方向相同的电流。

两种载子的浓度越大，所产生的漂移电流越大。

由於某些外部条件而使半导体内部的载子存在浓度梯度的时候，将产生扩散运动，即载子由浓度高的位置向浓度低的位置运动，最终达到动态平衡状态。

采用一些特殊的工艺（见本条目後面的段落），可以将上述的P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起。在二者的接触面的位置形成一个PN接面。

P型、N型半导体由於分别含有较高浓度的「电洞」和自由电子，存在浓度梯度，所以二者之间将产生扩散运动。即：

自由电子由N型半导体向P型半导体的方向扩散

电洞由P型半导体向N型半导体的方向扩散

载子经过扩散的过程後，扩散的自由电子和电洞相互结合，使得原有的N型半导体的自由电子浓度减少，同时原有P型半导体的电洞浓度也减少。在两种半导体中间位置形成一个由N型半导体指向P型半导体的电场，成为「内电场」。

在内电场形成以後，载子的扩散运动和漂移运动互相制约，最後达到动态平衡。

制造工艺

合金法

扩散法

离子注入法

磊晶生长法

性质

顺向偏压

若施加在P区的电压高於N区的电压，此时PN结外电场与内电场方向相反，但由於内电场较为微弱，PN接面内的多数载子的扩散运动将强於少数载子的漂移运动，从而产生从P型半导体指向N型半导体的「扩散电流」。

这种状态称为「顺向偏压」，电流由P区流向N区，称为「顺向电流」。

逆向偏压

若施加在N区的电压高於P区的电压，将形成极其微弱的漂移电流，并且这个电流不随逆向电压的增大而变化。

这种状态称为PN结「逆向偏压」，且产生的极其微弱、不随外加电压改变的电流称为「逆向饱和电流」。由於逆向饱和电流很小，PN接面处於截止状态，所以外加逆向电压时，PN接面相当於断路。

电流由N区流向P区，称为逆向电流。当加在PN结上的逆向电压超过一定数值时，PN结的电阻突然减小，逆向电流急剧增大，这种现象称为击穿。电击穿击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿且都是可逆的。发生热击穿後，PN结不再具有单向导电性，导致二极体发生不可恢复的损坏。利用齐纳击穿制作的稳压二极体，称为齐纳二极体。

逆向击穿

当逆向电压逐渐增大时，逆向饱和电流不变。但是当逆向电压达到一定值时，PN接面将被击穿。在PN接面中加逆向电压，如果逆向电压过大，位於PN接面中的载子会拥有很大的动能，足以和中性粒子碰撞使中性粒子分离出价电子而产生电洞-电子对。这样会导致PN接面逆向电流的急剧增大，发生PN接面的击穿，因为被弹出的价电子又可能和其他中性粒子碰撞产生连锁反应，类似於雪崩，这样的逆向击穿方式成为突崩溃（Avalanche breakdown）。参杂浓度越低所需电场越强。当参杂浓度非常高时，在PN结两端加入弱电场就会使中性粒子中的价电子脱离原子的束缚，从而成为载流子。导致PN结的击穿。这样的击穿被称作齐纳击穿（Zener breakdown）。参杂浓度越高所需要的电场越弱。一般小於6V的电压引起的是齐纳击穿，大於6V的引起的是雪崩击穿。

PN接面的最大特性为单向导电性，反映到伏安特性曲线如右图。当顺向电压达到一定值时，PN接面将产生顺向偏压，PN接面被导通（图中蓝色部分）；当逆向电压在一定范围内时，PN接面产生微弱的逆向饱和电流（图中绿色部分）；当逆向电压超过一定值时，PN接面被击穿。

势垒电容

当外加电压的时候，空间电荷区（也称为「空乏层」）的宽度发生变化，将会引起其电荷量的变化。从而产生等效的电容效应，即「势垒电容」Cb。它与PN接面面积、空乏层宽度、半导体介电常数和外加电压都有关系。

扩散电容

当外加电压变化时，扩散区（参见上文所述扩散运动）内电荷的积累和释放过程将产生等效於电容的充放电过程，故等效於一个「扩散电容」Cd。

PN接面