PN结的特性
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发布时间：2022-04-30 05:13
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懂视网
时间：2023-01-04 14:10
1、在一片完整的硅片上,用不同的掺杂工艺使某一边形成N型半导体,另一边形成P型半导体,那么就在两种半导体交界面就形成了PN结。
2、特性。正向导通，反向截止。当正向电压达到一定值时（硅管0.7伏，锗管0.3伏）左右时，电流随电压成指数变化。与电阻相比它是具有非线性特性的，因此它的特性曲线一般是非线性的；有两种载流子，即电子和空穴；受温度影响比较大，因为温度变化影响载流子的运动速度以及本征激发的程度，因此设计或者运用时常需要考虑温度问题。
热心网友
时间：2024-11-02 07:31
从PN结的形成原理可以看出，要想让PN结导通形成电流，必须消除其空间电荷区的内部电场的阻力。很显然，给它加一个反方向的更大的电场，即P区接外加电源的正极，N区结负极，就可以抵消其内部自建电场，使载流子可以继续运动，从而形成线性的正向电流。而外加反向电压则相当于内建电场的阻力更大，PN结不能导通，仅有极微弱的反向电流（由少数载流子的漂移运动形成，因少子数量有限，电流饱和）。当反向电压增大至某一数值时，因少子的数量和能量都增大，会碰撞破坏内部的共价键，使原来被束缚的电子和空穴被释放出来，不断增大电流，最终PN结将被击穿（变为导体）损坏，反向电流急剧增大。
这就是PN结的特性（单向导通、反向饱和漏电或击穿导体），也是晶体管和集成电路最基础、最重要的物理原理，所有以晶体管为基础的复杂电路的分析都离不开它。比如二极管就是基于PN结的单向导通原理工作的；而一个PNP结构则可以形成一个三极管，里面包含了两个PN结。二极管和三极管都是电子电路里面最基本的元件。 PN结加反向电压时，空间电荷区变宽，区中电场增强。反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大。如果外电路不能*电流，则电流会大到将PN结烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。基本的击穿机构有两种，即隧道击穿（也叫齐纳击穿）和雪崩击穿，前者击穿电压小于6V，有负的温度系数，后者击穿电压大于6V，有正的温度系数。
雪崩击穿：阻挡层中的载流子漂移速度随内部电场的增强而相应加快到一定程度时，其动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子—空穴对，新产生的载流子在强电场作用下，再去碰撞其它中性原子，又产生新的自由电子—空穴对，如此连锁反应，使阻挡层中的载流子数量急剧增加，象雪崩一样。雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中，阻挡层宽，碰撞电离的机会较多，雪崩击穿的击穿电压高。
齐纳击穿：齐纳击穿通常发生在掺杂浓度很高的PN结内。由于掺杂浓度很高，PN结很窄，这样即使施加较小的反向电压（5V以下），结层中的电场却很强（可达2.5×105V/m左右）。在强电场作用下，会强行促使PN结内原子的价电子从共价键中拉出来，形成电子一空穴对，从而产生大量的载流子。它们在反向电压的作用下，形成很大的反向电流，出现了击穿。显然，齐纳击穿的物理本质是场致电离。
采取适当的掺杂工艺，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之间两种击穿可能同时发生。
热电击穿：当pn结施加反向电压时，流过pn结的反向电流要引起热损耗。反向电压逐渐增大时，对于一定的反向电流所损耗的功率也增大，这将产生大量热量。如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去，则将引起结温上升。这种由于热不稳定性引起的击穿，称为热电击穿。
击穿电压的温度特性：温度升高后，晶格振动加剧，致使载流子运动的平 均自由路程缩短，碰撞前动能减小，必须加大反向电压才能发生雪崩击穿具有正的温度系数，但温度升高，共价键中的价电子能量状态高，从而齐纳击穿电压随温度升高而降低，具有负的温度系数。 （1）PN结加正向电压时导通
如果电源的正极接P区，负极接N区，外加的正向电压有一部分降落在PN结区，PN结处于正向偏置。电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。
（2）PN结加反向电压时截止
如果电源的正极接N区，负极接P区，外加的反向电压有一部分降落在PN结区，PN结处于反向偏置。则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。
在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，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，这个电流也称为反向饱和电流。
PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。 PN结的伏安特性（外特性）如图所示，它直观形象地表示了PN结的单向导电性。
伏安特性的表达式为：
式中iD为通过PN结的电流，vD为PN结两端的外加电压，VT为温度的电压当量， ，其中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。Is为反向饱和电流，对于分立器件，其典型值为10-8~10-14A的范围内。集成电路中二极管PN结，其Is值则更小。
当vD>>0，且vD>VT时， ；
当vD<0，且 时，iD≈–IS≈0。 PN结加反向电压时，空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变，主要有势垒电容（CB）和扩散电容（CD）。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。
势垒电容：势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化。势垒区类似平板电容器，其交界两侧存储着数值相等极性相反的离子电荷，电荷量随外加电压而变化，称为势垒电容，用CB表示，其值为： 。在PN结反偏时结电阻很大，CB的作用不能忽视，特别是在高频时，它对电路有较大的影响。 CB不是恒值，而是随V而变化，利用该特性可制作变容二极管。
PN结有突变结和缓变结，现考虑突变结情况，PN结相当于平板电容器，虽然外加电场会使势垒区变宽或变窄 但这个变化比较小可以忽略，则 ，已知动态平衡下阻挡层的宽度L0，代入上式可得： 。
扩散电容：PN结正向导电时，多子扩散到对方区域后，在PN结边界上积累，并有一定的浓度分布。积累的电荷量随外加电压的变化而变化，当PN结正向电压加大时，正向电流随着加大，这就要求有更多的载流子积累起来以满足电流加大的要求；而当正向电压减小时，正向电流减小，积累在P区的电子或N区的空穴就要相对减小，这样，当外加电压变化时，有载流子向PN结“充入”和“放出”。PN结的扩散电容CD描述了积累在P区的电子或N区的空穴随外加电压的变化的电容效应。
因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如右图所示。
CD是非线性电容，PN结正偏时，CD较大，反偏时载流子数目很少，因此反偏时扩散电容数值很小。一般可以忽略。
PN结电容：PN结的总电容Cj为CT和CD两者之和Cj = CT+CD ，外加正向电 压CD很大， Cj以扩散电容为主（几十pF到几千pF） ，外加反向电压CD趋于零，Cj以势垒电容为主（几pF到几十pF到）。
