PN 結

PN結採用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導體與N型半導體製作在同一塊半導體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區稱為PN結（英語：PN junction）。PN結具有單向導電性，是電子技術中許多器件所利用的特性，例如半導體二極管、雙極性晶體管的物質基礎。

PN 結
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目錄

發展過程

1935年後貝爾實驗室的一批科學家轉向研究Si材料，1940年，用真空熔煉方法拉制出多晶Si棒並且掌握了摻入Ⅲ、Ⅴ族雜質元素來製造P型和N型多晶Si的技術。還用生長過程中摻雜的方法製造出第一個Si的PN結，發現了Si中雜質元素的分凝現象，以及施主和受主雜質的補償作用。

1948年，威廉·肖克利的論文《半導體中的P-N結和P-N結型晶體管的理論》發表于貝爾實驗室內部刊物。

形成原理

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雜質半導體

N型半導體（N為Negative的字頭，由於電子帶負電荷而得此名）：摻入少量雜質磷元素（或銻元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由於半導體原子（如硅原子）被雜質原子取代，磷原子外層的五個外層電子的其中四個與周圍的半導體原子形成共價鍵，多出的一個電子幾乎不受束縛，較為容易地成為自由電子。於是，N型半導體就成為了含電子濃度較高的半導體，其導電性主要是因為自由電子導電。

P型半導體（P為Positive的字頭，由於空穴帶正電而得此名）：摻入少量雜質硼元素（或銦元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由於半導體原子（如硅原子）被雜質原子取代，硼原子外層的三個外層電子與周圍的半導體原子形成共價鍵的時候，會產生一個「空穴」，這個空穴可能吸引束縛電子來「填充」，使得硼原子成為帶負電的離子。這樣，這類半導體由於含有較高濃度的「空穴」（「相當於」正電荷），成為能夠導電的物質。

PN結的形成

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PN結的形成其實就是在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導體，另一邊形成P型半導體，那麼在兩種半導體的交界面附近就形成了PN結。

在形成PN結之後，由於N型半導體區內的電子數量多於空穴數量，而P型半導體區內的空穴數量多於電子數量，所以在它們的交界處就出現了電子和空穴的濃度差。這樣，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴散。

最後，多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡。在P型半導體和N型半導體的結合面兩側，留下離子薄層，這個離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。PN結的內電場方向由N區指向P區。在空間電荷區，由於缺少多子，所以也稱耗盡層。

主要特性

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單向導電性

1、PN結加正向電壓時導通

如果電源的正極接P區，負極接N區，外加的正向電壓有一部分降落在PN結區，PN結處於正向偏置。電流便從P型一邊流向N型一邊，空穴和電子都向界面運動，使空間電荷區變窄，電流可以順利通過，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。於是，內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大於漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現低阻性。

2、PN結加反向電壓時截止

如果電源的正極接N區，負極接P區，外加的反向電壓有一部分降落在PN結區，PN結處於反向偏置。則空穴和電子都向遠離界面的方向運動，使空間電荷區變寬，電流不能流過，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區的少子在內電場作用下形成的漂移電流大於擴散電流，可忽略擴散電流，PN結呈現高阻性。

在一定的溫度條件下，由本徵激發決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恆定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。

PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。

伏安特性

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PN結接入電路後電流與電壓之間的關係，也就是PN結的伏安特性。PN結的伏安特性（外特性）直觀形象地表示了PN結的單向導電性。

因為擴散運動會使pn結產生一個內電場，而外加的電壓需要克服這個內電場才能導通電流。這個電壓稱為死區電壓。如果是硅材料，數值大概是0.5V左右，如果是鍺材料，數值大概是0.1V左右。當外加的正向電壓在這個數值之上以後，我們知道內電場的形成就是因為PN結兩端有正負電荷的積累。而一旦客服了內電場這些電子就能參與到電路中，電流的大小就會隨電壓增大呈現指數增長。

反向偏置因為外電場的方向與內電場一致，所以沒有死區電壓這東西。所以電流大小隨電壓的增大而增大。但是電流增大的一定數值就不再增大了。因為P區的自由電子數量有限。再大也就那麼點。然後我們看圖，當反向電壓的大小大到一定程度時，電流會突然暴增。這個現象稱為反向擊穿。這個電壓稱為擊穿電壓。擊穿電壓數值因材料在幾十V到幾千V不等。

作用介紹

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根據PN結的材料、摻雜分布、 幾何結構和偏置條件的不同，利用其基本特性可以製造多種功能的晶體二極管。

如利用PN結單向導電性可以製作整流二極管、檢波二極管和開關二極管。

利用擊穿特性製作穩壓二極管和雪崩二極管。

利用高摻雜PN結隧道效應製作隧道二極管。

利用結電容隨外電壓變化效應製作變容二極管。

使半導體的光電效應與PN結相結合還可以製作多種光電器件。

如利用前向偏置異質結的載流子注入與複合可以製造半導體激光二極管與半導體發光二極管。

利用光輻射對PN結反向電流的調製作用可以製成光電探測器。

利用光生伏特效應可製成太陽電池。

此外，利用兩個PN結之間的相互作用可以產生放大、振盪等多種電子功能。PN結是構成雙極型晶體管和場效應晶體管的核心，是現代電子技術的基礎。

製造工藝

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PN結是構成各種半導體器件的基礎。製造PN結的方法有：合金法、擴散法、離子注入法、外延生長法，製造異質結通常採用外延生長法。

擊穿特性應用

當反向電壓增大到一定值時，PN結的反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增 加，這種現象稱為PN結的擊穿，反向電流急劇增加時所對應的電壓稱為反向擊穿電壓， PN結的反向擊穿有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種。

1、雪崩擊穿

阻擋層中的載流子漂移速度隨內部電場的增強而相應加快到一定程度時，其動能足以把束縛在共價鍵中的價電子碰撞出來，產生自由電子—空穴對，新產生的載流子在強電場作用下，再去碰撞其它中性原子，又產生新的自由電子—空穴對，如此連鎖反應，使阻擋層中的載流子數量急劇增加，象雪崩一樣。雪崩擊穿發生在摻雜濃度較低的PN結中，阻擋層寬，碰撞電離的機會較多，雪崩擊穿的擊穿電壓高。

2、齊納擊穿

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當PN結兩邊摻雜濃度很高時，阻擋層很薄，不易產生碰撞電離，但當加不大的反向電壓時，阻擋層中的電場很強，足以把中性原子中的價電子直接從共價鍵中拉出來，產生新的自由電子—空穴對，這個過程 稱為場致激發。一般擊穿電壓在6V以下是齊納擊穿，在6V以上是雪崩擊穿。

3、擊穿電壓的溫度特性

溫度升高後，晶格振動加劇，致使載流子運動的平 均自由路程縮短，碰撞前動能減小，必須加大反向電壓才能發生雪崩擊穿具有正的溫度係數，但溫度升高，共價鍵中的價電子能量狀態高，從而齊納擊穿電壓隨溫度升高而降低，具有負的溫度係數。6V左右兩種擊穿將會同時發生，擊穿電壓的溫度係數趨於零。

4、穩壓二極管

PN結一旦擊穿後，儘管反向電流急劇變化，但其端電壓幾 乎不變（近似為V(BR)，只要限制它的反向電流，PN結 就不會燒壞，利用這一特性可製成穩壓二極管，其主要參數有： VZ 、 Izmin 、 Iz 、 Izmax。

相關視頻

1、PN結的形成

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2、PN結及其單向導電性

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