剧增加 PN结的单向导电性及伏安特性曲线

杂质半导体增强了半导体的导电能力，利用特殊的掺杂工艺，可以在一块晶片的两边分别生成N型和P型半导体，在两者的交界处将形成PN结。PN结具有单一型的半导体所没有的特性，利用该特性可以制造出各种类型的半导体器件。

1.PN结的形成

单个的P型半导体或N型半导体内部虽然有空穴或自由电子，但整体是电中性的，不带电。利用特殊的掺杂工艺，在一块晶片的两边分别生成如图5-5a所示的N型半导体和P型半导体。

在图5-5a中，因为P区的多子是空穴，N区的多子是电子，在两块半导体的交界处同类载流子的浓度差别极大，这种差别将产生P区浓度高的空穴向N区扩散，与此同时，N区浓度高的电子也会向P区扩散。

扩散运动的结果使P型半导体的原子在交界处得到电子成为带负电的离子，N型半导体的原子在交界处失去电子成为带正电的离子，形成如图5-5b所示的空间电荷区。

空间电荷区随着电荷的积累将建立起一个内电场E，该电场对半导体内多数载流子的扩散运动起到阻碍的作用，但对少数载流子的运动却起到促进的作用，少数载流子在内电场作用下的运动称为漂移运动。在无外电场和其他因素的激励下，当参与扩散的多数载流子和参与漂移的少数载流子在数目上相等时，空间电荷区电荷的积累效应将停止，空间电荷区内电荷的数目将达到一个动态的平衡，并形成如图5-5b所示的PN结。此时，空间电荷区具有一定的宽度，内电场E也具有一定的强度，PN结内部的电流为零。

图5-5 PN结的形成

由于空间电荷区在形成的过程中，移走的是载流子，留下的是不能移动的正、负离子，这种作用与电容器存储电荷的作用相等效，所以PN结也具有电容的效应，该电容称为PN结的结电容，PN结的结电容有势垒电容和扩散电容两种。

PN结空间电荷区的宽度随反向偏置电压的变化而变化，这种变化作用等效于PN结的结电容受反向偏置电压的控制，利用PN结的这个特性可以制作电容量随控制电压而变化的变容器件。

2.PN结的单向导电性

处于平衡状态下的PN结没有实用的价值，PN结的实用价值只有在PN结上外加电压时才能显示出来。

（1）外加正向电压

在PN结上外加正向电压时的电路如图5-6所示，处在这种连接方式下的PN结称为正向偏置（简称正偏）。由图5-6可见，当PN结处在正向偏置时，P型半导体接高电位，N型半导体接低电位。

由图5-6可见，处在正向偏置的PN结，外电场和内电场的方向相反。在外电场的作用下，P区的空穴和N区的电子都要向空间电荷区移动，进入空间电荷区的电子和空穴分别和原有的一部分正、负离子中和，破坏了空间电荷区的平衡状态，使空间电荷区的电荷量减少，空间电荷区变窄，相应的内电场被削弱，这种情况有利于P区的空穴和N区的电子向相邻的区域扩散，并形成扩散电流，即PN结的正向电流。

图5-6 PN结的正向偏置

在一定范围内，正向电流随着外电场的增强而增大，此时的PN结呈现出低电阻值，PN结处于导通的状态。PN结正向导通时的电压降很小，理想的情况下，可认为PN结正向导通时的电阻为0，所以导通时的电压降也为0。

PN结的正向电流包含空穴电流和电子电流两部分，外电源不断的向半导体提供电荷，使电路中电流得以维持。正向电流的大小主要由外加电压U_s和电阻R的大小来决定。

（2）外加反向电压

在PN结上外加反向电压时的电路如图5-7所示，处在这种连接方式下的PN结称为反向偏置（简称反偏）。由图5-7可见，当PN结处在反向偏置时，P型半导体接低电位，N型半导体接高电位。

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图5-7 PN结的反向偏置

由图5-7可见，处在反向偏置的PN结，外电场和内电场的方向相同。当PN结处在反向偏置时，PN结内部扩散和漂移运动的平衡被破坏了。P区的空穴和N区的电子由于外电场的作用都将背离空间电荷区，结果使空间电荷量增加，空间电荷区加宽，内电场加强，内电场的加强进一步阻碍了多数载流子扩散运动的进行，对少数载流子的漂移运动却有利，少数载流子的漂移运动所形成的电流称为PN结的反向电流。

由于少数载流子的数目有限，在一定范围内，反向电流极微小，且不变，所以，该电流被称为反向饱和电流，用符号I_s来表示。反向偏置时的PN结呈高电阻态，理想的情况下，反向电阻为∞，此时PN结的反向电流为0，PN结不导电，即PN结处于截止的状态。

因为少数载流子与半导体的本征激发有关，本征激发与温度有关，所以PN结的反向饱和电流I_s会随着温度的上升而增大。

由以上的分析可见，PN结的导电能力与加在PN结上电压的极性有关。当外加电压使PN结处在正向偏置时，PN结会导电；当外加电压使PN结处于反向偏置时，PN结不导电。PN结的这种导电特性称为PN结的单向导电性。

PN结的单向导电性用符号来表示，其中箭头所在的那一侧表示P型半导体，箭头所指的方向就是PN结处于正向偏置时电流的流向。

3.PN结的电流方程

根据半导体物理的理论可得，加在PN结上的端电压u与流过PN结的电流i之间的关系为

上式是描述流过PN结的电流随加在PN结上的电压而变化的电流方程，式中的I_s为反向饱和电流，q为电子电量，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。

令U_T=kT/q，U_T称为温度电压当量，在T=300K的常温下，温度电压当量U_T≈26mV。将温度电压当量的表达式代入式（5-1）中可得

式（5-2）说明，流过PN结的电流和电压的约束关系不像电阻元件那样是线性的关系，而是非线性的关系，具有这种特性的元件称为非线性元件。非线性元件电流和电压的约束关系不能用欧姆定律来描述，必须用伏安特性曲线来描述。

4.PN结的伏安特性曲线

由式（5-2）可得，当PN结外加正向电压u＞＞U_T时，式（5-2）中的指数项远大于1，1可忽略，，即电流随电压按指数的规律变化。

当PN结外加反向电压|u|＞＞U_T时，式（5-2）中的指数项约等于0，i≈-I_s，式中的负号也说明了反向偏置时电流的方向与正向偏置时电流的方向相反。根据式（5-2）所作的曲线称为PN结的伏安特性曲线，如图5-8所示。

图5-8 二极管伏安特性

其中u＞0的部分称为PN结的正向特性，u＜0的部分称为PN结的反向特性。由图5-8可见，当反向电压超过U_BR后，PN结的反向电流急剧增加，这种现象称为PN结的反向击穿。

PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐钠击穿两种，当掺杂溶度比较高时，击穿通常为齐纳击穿；当掺杂溶度比较低时，击穿通常为雪崩击穿。无论哪种击穿，若对电流不加限制，都可能造成PN结的永久性损坏。