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PN結基礎知識
PN結基礎知識

在硅、鍺,砷化稼等具有共價鍵的單晶本征半導體材料中，以特殊工藝[ 如高溫擴散、離子注入等］“攙雜”進一定濃度 【 10e-6~10e-10」的其它特定原子，在不破壞原半導體共價鍵的情況下，使“雜質”原子在晶格的某些位置上替代原來材料的原子，因為原晶體的共價鍵結構的存在，以及雜質原子與晶體原子的自由電子數目不相等，那么在形成共價鍵后，雜質原子就會多出自由電子或者被共價鍵牽引而缺少了自由電子。從整個材料特性看來仍然對外界表現出電中性，但在晶格附近就會有多余的電子或者因缺少電子而形成了帶正電的“空穴”。有“多余”電子的攙雜材料就稱為 Negative 型半導體，帶“空穴”的攙雜材料就稱為 Positive 型半導體。

從電路結構上說來， PN 結是一種特殊的材料接觸結構：將 P 型半導體以及 N 型半導體以特定的工藝進行原子級結合就可以形成 PN 結， PN 結有這 樣的特點：因 P 型半導體中的空穴、 N 型半導體中的電子互相“滲透”會形成一個接觸電場，方向為從 N 端指向 P 端。當分別在 P,N端加上電壓時， PN 結將表現出寶貴的單向導電性： P 極加正電壓， N 極加負電壓時接觸電場被削弱， PN 結導通； N 極加正電壓， P 極加負電壓時接觸電場被增加，導致自由電子無法通過。在 PN 正向導通時，因接觸電場的存在，將會在結上形成一固定壓降，硅 PN 結的壓降一般為 O . 6V 左右，鍺材料結的壓降為 0 . 3 一 O . SV 左右。鍺材料的溫度敏感性很強，其穩定性遠遠不如硅材料。 PN 結示意圖如圖1 . 1 :

PN 結的典型 V/I 特性曲線如圖 1 . 2:

這是典型的 PN 結伏安特性。可見 PN 結在加以很大的反壓時可以突然導通，導通電阻很小，導通電壓為 vl ， 在加以正壓時，在一個比較小的電壓上［ V2 ] , PN 結也開始相對緩慢導通。于電壓 Vl 處的導通稱為反向擊穿，擊穿后若對電流不加以限制,很容易使 PN 過流燒毀，但電壓 Vl 比較穩定，這個特性被運用于穩壓。 VZ 處的導通稱為正向導通，其電壓對于硅管說來為 O . 6V 左右，對于鍺管說來為 0 . 3 一 O . SV 左右。 Vl 的電壓大小可以通過半導體加工工藝來改變，可以做到幾伏到幾千伏。在 PN 區分別接上歐姆接觸電極，就構成了各種“二極管”。 PN 結的反向擊穿從機理上說來有兩種：齊納擊穿和雪崩擊穿。



圖 1 . 2 PN 結典型伏安特性

在攙雜濃度較高的條件下， PN 結的寬度很小，較小的反向電壓就可以形成很強的結內反向電場。若電場強度超過 10e6V / m 時，有些共價鍵上的電子會被電場力拉出，載流子迅速增加。這種擊穿被 Zenar 發現，其擊穿電壓與電流的關系不大，也就是說電壓較穩。這種現象稱為齊納擊穿。在 PN 結寬度比較寬時，較高的反向結電壓還不能產生過強的結內電場，但是由于載流子穿過結的路程比較長，不斷被電場加速，將其它價電子“撞”出了共價鍵，產生新的電子一空穴對，這些載流子又去撞其它共價鍵不斷產生“鏈式”反應，最后導致 PN 結反向電流劇烈增加。這種現象稱為雪崩擊穿。一般對于反壓小于 4V 的擊穿稱為齊納擊穿，反壓大于 7V 的稱為雪崩擊穿，兩者之間可能兩種模式都存在。不管是哪種擊穿，若擊穿電流不加外界限制，最后都會因結溫度過高而毀壞，若有外界電流限制，兩種模式都不會損壞 PN 結。從器件內“ PN結”的數目看來，二極管屬于單結器件。