1.2 PN結

在一塊N型（或P型）半導體上，用雜質補償的方法摻入一定數量的三價元素（或五價元素）將部分區域轉換成P型（或N型），則在它們的界面處便生成PN結。PN結是晶體二極管及其他半導體器件的基本結構，在集成電路及半導體元器件中具有極其重要的作用。

1.2.1 PN結的形成及特點

1.PN結的形成

PN結并不是簡單的將P型和N型材料壓合在一起，它是根據“雜質補償”的原理，采用合金法或平面擴散法等半導體工藝制成的。雖然PN結的物理界面把半導體材料分為P區和N區，但整個材料仍然保持完整的晶體結構。

假設P區和N區結合初期，在N型和P型半導體的界面兩側明顯地存在著電子和空穴的濃度差，將導致載流子的擴散運動：N型半導體中電子（多子）向P區擴散，這些載流子一旦越過界面，就會與P區空穴復合，在N區靠近界面處留下正離子，P區生成負離子；同理，P型半導體中的空穴（多子）由于濃度差向N區擴散，與N區中電子復合，在P區靠近界面處留下負離子，N區生成正離子。伴隨著這種擴散和復合運動的進行，在界面兩側附近將形成一個由正離子和負離子構成的空間電荷區，如圖1-12所示。

顯然，空間電荷區內存在著由N區指向P區的電場，N區一側為正，P區一側為負，這個電場稱為內建電場E。另外，內建電場E的形成又將阻止兩區多子的擴散，同時有利于形成兩區內少子的漂移運動。或者說，內建電場將產生兩區內少子的越結漂移電流，在一定程度上將抵消兩區多子越結的擴散電流。

顯然，半導體中多子的擴散運動和少子的漂移運動是一對矛盾運動的兩個方面。隨著多子擴散的進行，空間電荷區內的離子數增多，內建電場增強；與此同時，隨著內建電場的增強，有利于少子的漂移，漂移電流將增大。最終，當漂移電流和擴散電流相等時，將達到一種動態的平衡，PN結即形成。這時，再沒有凈的電流流過PN結，也不會有凈的電荷遷移。

2.PN結的特點

PN結的特點如下。

（1）空間電荷區的寬度決定于雜質濃度。若P區和N區的摻雜濃度不同，這種PN結稱為不對稱PN結。例如，P+N結表示P區的摻雜濃度遠高于N區；PN+結表示N區的摻雜濃度遠高于P區。由于PN結內P區一側的負離子數幾乎等于N區一側的正離子數，因此，摻雜低的一側因離子的密度較低，使PN結在該側的寬度更寬。換言之，雜質濃度越高，空間電荷區越薄，空間電荷區向雜質濃度低的一側延伸。半導體器件中的PN結一般都是不對稱的PN結。需要指出：實際上PN結的寬度是很小的，只有μm量級。

（2）空間電荷區是非中性區。如圖1-13所示，在空間電荷區內形成一定的電荷分布ρ（x），P區為負，N區為正，界面處為零。故在電荷區內形成一定的電場分布：，ε為介質常數。從而在空間電荷區內形成一定的電位差（接觸電位差或內建電位差）。其中空間電荷區內電位分布為

根據半導體物理的理論可以推出PN結的內建電位差（內建電壓）為

式中，UT=kT/q（熱力學電壓）。常溫下（T=300 K），UT=26 mV。

PN結內建電場和內建電位差UΦ主要由半導體材料的種類決定。一般硅（Si）PN結的UΦ=0.6～0.8 V；鍺（Ge）PN結的UΦ=0.2～0.3 V。

（3）如圖1-13所示，由于電子帶負電荷，處于高電勢處的電子具有較低位能，而處于低電勢處的電子具有較高位能，所以N區電子比P區能量低eUΦ，N區電子要到達P區或P區空穴要到達N區必須克服勢壘eUΦ，即勢壘阻礙了擴散運動。故空間電荷區也稱為勢壘區或阻擋層。

（4）PN結外P區和N區的載流子數和雜質離子數幾乎相等。但空間電荷區內由于有大量的不能移動的離子，是載流子不能停留的區域，因而結內載流子數遠小于結外的載流子數。可以認為PN結內的載流子在PN結形成過程中已被近似“耗盡”完畢，故PN結又稱為耗盡層（depletion layer）。

1.2.2 PN結的單向導電特性

前面討論的PN結是沒有外接電壓時的情況，稱為開路PN結或平衡狀態PN結。當P區和N區外接電壓時，外電路會產生電流。一般在PN結兩端外接直流電壓稱為偏置，“偏置”一詞源于英文Bias，泛指在半導體器件上所加的直流電壓和電流。PN結的偏置方式有兩種：正向偏置和反向偏置。本節將討論PN結在不同偏置下電流隨電壓變化的規律。

1.正向偏置的PN結

若在PN結外加正偏直流電壓UD使P區接高電位，N區接低電位，稱這種偏置方式為PN結正向偏置，簡稱正偏。

由于PN結內的載流子數遠小于結外P區和N區的載流子數（耗盡層），PN結相對于結外的P區和N區而言是高阻區，因此，外加電壓UD幾乎完全作用在結層上。由于UD的方向與內建電壓UΦ的方向相反，使得結層內的電位差減小為（UΦ-UD），勢壘高度降低，電場減弱，離子數也相應減少，PN結變薄。原來擴散與漂移的平衡狀態被破壞，擴散運動占優勢，漂移減弱，擴散運動大于漂移運動，兩區多子將產生凈的越結擴散電流。根據電流的連續性原理，外電路通過電源的正負極也產生相應的電流。PN結正偏時空間電荷層和勢壘的變化及正向電流方向如圖1-14（a）所示。

顯然，正偏電壓越大，PN結內的電場越弱，越結的擴散電流越大，外電路電流也越大。但是在實際應用中，外加電壓U不允許超過內建電壓UΦ。否則，過大的電流會在P區和N區產生歐姆壓降，迫使加在結上的電壓小于內建電壓，且過大的電流往往會導致PN結因發熱而燒壞。在實際應用中為防止這種現象，常在電路中串接一個小的限流電阻R，如圖1-14（b）所示。

由以上分析可知，正偏PN結會產生隨正向電壓增大而增大的正向電流，正向電流實質是P區和N區的多子擴散電流，電流較大，所以通常稱正偏PN結是導通的。

2.反向偏置的PN結

當在PN結外加的直流電壓UR使P區接低電位，N區接高電位時，稱這種偏置方式為PN結的反向偏置，簡稱反偏。

PN結反偏時，作用在PN結上的反偏外電壓UR與內建電壓UΦ方向相同，使結內的電位差增大為（UΦ+UR），即勢壘增高，內建電場增強；結內離子數也相應會增多，PN結變寬。原來擴散與漂移的平衡狀態被破壞，漂移占優勢，擴散減弱，漂移運動大于擴散運動，于是產生凈的越結漂移電流。但是，這個漂移電流是空間電荷區邊界處兩區的少子被電場力拉向對方區域形成的，即緊鄰邊界的P區一側的由由電子被拉向N區，N區一側的空穴被拉向P區。由于少子的濃度隨溫度變化，當環境溫度一定時隨著反偏電壓的增加，漂移電流將達到一個“飽和”值，即漂移電流不再隨反偏電壓的增加而增加，故該電流通常稱為反向飽和電流，用IS 表示。圖1-15畫出了反偏PN結空間電荷區和勢壘的變化以及IS的方向。

反向飽和電流IS其實質是少子的漂移電流。由于兩區少子數量極少，故IS是很小的。硅PN結的IS可以小到pA量級。另外，由于少子的數量隨溫度的增加而增加，故IS也隨溫度的增加而增加。

由以上分析可知：反偏PN結只能在外電路產生數值極小的反向飽和電流IS，反向電流遠小于正向電流，即ID?|IS|。當IS忽略不計時，通常可以認為，反偏PN結是截止（不導通）的。另外，該電流是溫度的敏感函數，是影響PN結正常工作的主要原因。