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1、PN结结一、一、PN结的形成结的形成二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性三、三、PN结的击穿特性结的击穿特性四、四、PN结的电容效应结的电容效应五、五、PN结的温度特性结的温度特性P型半导体和型半导体和N型半导体相结合型半导体相结合PN结结PN结结是是构构造造半半导导体体器器件件的的基基本本单单元元。其其中中，最最简简单单的的晶晶体体二二极极管管就就是是由由PN结结构构成的。成的。PN 在一在一块本征半本征半导体在两体在两侧通通过扩散不同的散不同的杂质, ,分分别形成形成N型半型半导体和体和P型半型半导体。此体。此时将在将在N型半型半导体和体和P型半型半导体的体的结合面上形成如下物理合面上
2、形成如下物理过程程: :因因浓度差度差 多子的多子的扩散运散运动由由杂质离子形成空离子形成空间电荷区荷区 空空间电荷区形成内荷区形成内电场 内内电场促使少子漂移促使少子漂移 内内电场阻止多子阻止多子扩散散一、一、PN结的形成结的形成扩散运动：空间电荷区展宽扩散运动：空间电荷区展宽漂移运动：空间电荷区变窄漂移运动：空间电荷区变窄多子的扩散和少子漂移运动多子的扩散和少子漂移运动达到动态平衡。达到动态平衡。P区和区和N区的掺杂浓度相同区的掺杂浓度相同对称结对称结耗尽层耗尽层势垒势垒区电电位位U电电子子势势能能不对称不对称PN结结如果如果P区和区和N区一边掺杂浓度大区一边掺杂浓度大(重掺杂重掺杂)，一
3、边掺杂，一边掺杂浓度小浓度小(轻掺杂轻掺杂)，则称为，则称为不对称结不对称结，用，用P+N或或PN+表表示示(+号表示重掺杂区号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边区一边.二、二、PN结的单向导电特性结的单向导电特性PN结的单向导电性只有在外结的单向导电性只有在外加电压时才会表现出来加电压时才会表现出来（一）、（一）、PN结加正向电压结加正向电压正正,负。负。正向电压或正向偏置正向电压或正向偏置(简称简称正偏正偏)PN结处于导通状态结处于导通状态, , 表现为一个很小的电阻表现为一个很小的电阻外电场外电场正正向向电电流流IF扩散运动大于漂移运动扩散运动大于漂
4、移运动多数载流子形成的扩多数载流子形成的扩散电流起支配作用散电流起支配作用少数载流子形成的漂少数载流子形成的漂移电流方向相反，很移电流方向相反，很小，可忽略。小，可忽略。（二）、（二）、PN结加反向电压结加反向电压将将电电源源的的正正极极接接区区,负负极极接接区区PN结结加加反反向电压或反向偏置向电压或反向偏置(简称简称反偏反偏)PN结结处处于于截截止止状状态态, , 呈呈现现出出一一个个很很大大的的电电阻阻( (高达几百千欧以上高达几百千欧以上) )。外电场外电场漂移电流大于扩散电漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流流，可忽略扩散电流故少子形成故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向的
5、漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流I IS S。在一定的温度条件下，在一定的温度条件下，由本征激发决定的少由本征激发决定的少子浓度是一定的子浓度是一定的 综上所述：综上所述：PN结加正向电压时，呈现低结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。移电流。 即即PN结具有单向导电特性结具有单向导电特性。关键在于耗尽层的存在关键在于耗尽层的存在IDUBRPN结结U-I特性曲线特性曲
6、线伏安特性方程伏安特性方程加正向电压时，加正向电压时，UD只要大只要大于于UT几倍以上，几倍以上，加反向电压时，加反向电压时，|UD|只要大于只要大于UT几倍以上，则几倍以上，则IDISUT热电势。热电势。室温下即室温下即T=300K时时,UT=26mVPN结的伏安特性结的伏安特性三、三、PN结的击穿特性结的击穿特性当当反反向向电电压压超超过过UBR后后稍稍有有增增加加时时，反反向向电电流流会会急急剧剧增增大大，这这种种现现象象称称为为PN结结击击穿穿，并并定定义义UBR为为PN结结的的反反向向击击穿电压。穿电压。电击穿电击穿热击穿热击穿PN结结发发生生电电击击穿穿的的机机理理可可以以分分为为
7、两两种种雪崩击穿和齐纳击穿雪崩击穿和齐纳击穿（一）雪崩击穿（一）雪崩击穿在在轻轻掺掺杂杂的的PN结结中中，当当外外加加反反向向电电压压时时，耗耗尽尽区区较较宽宽，少少子子漂漂移移通通过过耗耗尽尽区区时时被被加加速速，动动能能增增大大。当当反反向向电电压压大大到到一一定定值值时时，在在耗耗尽尽区区内内被被加加速速而而获获得得高高能能的的少少子子，会会与与中中性性原原子子的的价价电电子子相相碰碰撞撞，将将其其撞撞出出共共价价键键，产产生生电电子子、空空穴穴对对。新新产产生生的的电电子子、空空穴穴被被强强电电场场加加速速后后，又又会会撞撞出出新新的的电电子子、空空穴穴对对。如如此此链链锁锁反反应应,
8、使使反反向向电电流流迅迅速速增增大大。这种击穿称为。这种击穿称为雪崩击穿雪崩击穿。 （二）齐纳击穿（二）齐纳击穿在在重重掺掺杂杂的的PN结结中中，耗耗尽尽区区相相对对很很窄窄，所所以以不不大大的的反反向向电电压压就就能能在在耗耗尽尽区区内内形形成成很很强强的的电电场场。当当反反向向电电压压大大到到一一定定值值时时，强强电电场场足足以以将将耗耗尽尽区区内内中中性性原原子子的的价价电电子子直直接接拉拉出出共共价价键键，产产生生大大量量电电子子、空空穴穴对对，使使反反向向电电流流急急剧剧增增大大。这这种种击击穿穿称称为为齐纳击穿齐纳击穿或或场致击穿场致击穿。一一般般来来说说，对对硅硅材材料料的的PN
9、结结，UBR7V时时为为雪雪崩崩击击穿穿；UBR4V时时为为齐齐纳纳击击穿穿；UBR介介于于47V时时，两种击穿都有。两种击穿都有。发生击穿并不一定意味着发生击穿并不一定意味着PN结被损坏。结被损坏。当当PN结反向击穿时结反向击穿时,只要注意控制反向电流只要注意控制反向电流的数值的数值(一般通过串接电阻一般通过串接电阻实现实现),不使其不使其过大过大,以免因过热而烧坏以免因过热而烧坏PN结结,当反向电压当反向电压(绝对值绝对值)降低时降低时,PN结的性能就可以恢复正结的性能就可以恢复正常。常。稳压二极管正是利用了稳压二极管正是利用了PN结的反向击穿特结的反向击穿特性来实现稳压的性来实现稳压的,
10、当流过当流过PN结的电流变化时结的电流变化时,结电压基本保持不变。结电压基本保持不变。四、四、PN结的电容特性结的电容特性按电容的定义按电容的定义即电压变化将引起电荷变化即电压变化将引起电荷变化,从而反映出电从而反映出电容效应。而结两端加上电压容效应。而结两端加上电压,结内结内就有电荷的变化就有电荷的变化,说明结具有电容效应。说明结具有电容效应。PN结的电容效应结的电容效应势垒电容势垒电容CB和扩散电容和扩散电容CD两部分组成。两部分组成。(1)势垒电容势垒电容CB 势垒电容是由耗尽区的空间电荷区引起的。势垒电容是由耗尽区的空间电荷区引起的。当外加反向电压增大时，耗尽层变宽，空间当外加反向电压
11、增大时，耗尽层变宽，空间电荷电荷量增加量增加，犹如电容的充电。，犹如电容的充电。当外加反向电压降低时，耗尽层变窄，空间当外加反向电压降低时，耗尽层变窄，空间电荷电荷量减小量减小，犹如电容的放电。，犹如电容的放电。耗尽层中存贮耗尽层中存贮的电荷量随外的电荷量随外加电压的变化加电压的变化而改变。这一而改变。这一特性正是电容特性正是电容效应，并称为效应，并称为势垒电容，用势垒电容，用CB表示。表示。WW+W(2) 扩散电容CD 扩散电容是扩散电容是PN结在正偏时结在正偏时,多数载流子在扩散过多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。程中引起电荷积累而产生的。PN结正向偏置时，结正向偏置时，N区和区
12、和P区形区形成一定的非平衡载流子的浓度分成一定的非平衡载流子的浓度分布。布。P区积累了电子，即存贮了区积累了电子，即存贮了一定数量的负电荷；一定数量的负电荷；N区也积累区也积累了空穴，即存贮了一定数即正电了空穴，即存贮了一定数即正电荷。正向电压加大时，扩散增强，荷。正向电压加大时，扩散增强，致使在两个区域内形成了电荷堆致使在两个区域内形成了电荷堆积，相当于电容器的充电；相反，积，相当于电容器的充电；相反，当正向电压减小时，扩散减弱，当正向电压减小时，扩散减弱，造成两个区域内电荷的减少，这造成两个区域内电荷的减少，这相当于电容器放电。相当于电容器放电。势垒电容随外加反向电压增大而增大；势垒电容随
13、外加反向电压增大而增大；扩散电容随正向电压增大而增大。扩散电容随正向电压增大而增大。势垒电容和扩散电容都是非线性的电容势垒电容和扩散电容都是非线性的电容PN结上的总电容结上的总电容Cj结电容结电容，是势垒电容与扩，是势垒电容与扩散电容之和。散电容之和。即即CjB一一般般说说来来,PN结结正正偏偏时时,扩扩散散电电容容起起主主要要作作用用,；当当PN结结反反偏偏时时,势势垒垒电电容容起起主主要要作作用用,即即B。五、五、PN结的温度特性结的温度特性 PN结结特特性性对对温温度度变变化化很很敏敏感感，反反映映在在伏伏安安特特性性上上即即为：温度升高，正向特性左移，反向特性下移。为：温度升高，正向特
14、性左移，反向特性下移。具体变化规律是：具体变化规律是：温度升高反向击穿电压降低温度升高反向击穿电压降低温温度度每每升升高高10，反反向向饱饱和电流和电流IS增大一倍。增大一倍。当温度升高到一定程度时，由本征激发产生的当温度升高到一定程度时，由本征激发产生的少子浓度有可能超过掺杂多子浓度，使杂质半导体少子浓度有可能超过掺杂多子浓度，使杂质半导体变得与本征半导体一样，这时变得与本征半导体一样，这时PN结就不存在了。结就不存在了。因此，为了保证因此，为了保证PN结正常工作，它的最高工作结正常工作，它的最高工作温度有一个限制，对硅材料约为温度有一个限制，对硅材料约为(150200)，对锗，对锗材料约为材料约为(75100)。谢谢欣赏！谢谢欣赏！
