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PN结 (PN Junction)
基本概念
PN结 — P型半导体和N型半导体交界处形成的特殊区域，是所有半导体器件的基础。
形成原理
1. 载流子扩散
- P区空穴向N区扩散
- N区电子向P区扩散
- 相遇后复合消失
2. 空间电荷区形成
- 正负电荷积累 → 内建电场
- 电场阻止载流子继续扩散
- 达到动态平衡
3. 内建电势
Vbi ≈ 0.7V (硅) / 0.3V (锗)
取决于掺杂浓度和温度
偏置状态
正向偏置 (Forward Bias)
P区 ─┤+├─── N区
├──+
│ ← 外加电压
├-+
电流方向: P → N
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 外加电压 | > Vbi (约0.7V) |
| 电流 | 指数增长: I = Is(e^(V/VT) - 1) |
| 电阻 | 低 |
反向偏置 (Reverse Bias)
P区 ─┤-├─── N区
│+|
│ ← 外加电压
│+
├-
电流方向: 几乎为零 (漏电流除外)
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 外加电压 | > 0V |
| 电流 | 极小 (反向漏电流) |
| 电阻 | 高 |
击穿机制
当反向电压过大时发生击穿：
1. 齐纳击穿 (Zener Breakdown)
- Vz < 5V
- 强电场直接破坏共价键
- 可逆，齐纳二极管利用此原理
2. 雪崩击穿 (Avalanche Breakdown)
- Vz > 5V
- 载流子加速碰撞电离
- 链式反应
- 可逆
寄生参数
┌─────────────────────┐
│ ┌───┐ │
────┤ │ Vd│ ├────
│ └───┘ │
│ ┌─────────┐ │
│ │ Cj │ ← 结电容
│ └─────────┘ │
└─────────────────────┘
- Cj: 结电容 (反向偏置时显著)
- 反向恢复时间 (开关特性)
能带图
平衡状态
能量
↑
│ P区 N区
│ ════ ════ 价带
│ ↑ ↑
│ 空穴 电子
│ │ │
│ ──────────────── 费米能级
│ │ ↓ │
│ │ 内建电场│
│ │ │ │
└─────┴─────┴─────┴──
正向偏置
- 势垒降低
- 载流子可以扩散过去
反向偏置
- 势垒升高
- 耗尽层变宽
温度特性
| 参数 | 温度影响 |
|---|---|
| Vd (正向压降) | 温度每↑1°C，Vd ↓2mV |
| Is (反向饱和电流) | 温度每↑10°C，Is ↑2倍 |
| 击穿电压 | 通常温度↑，Vz ↑ (雪崩) |
关键公式
肖克利方程
I = Is × (e^(V/(n×VT)) - 1)
Is: 反向饱和电流
VT: 热电压 = kT/q ≈ 26mV (室温)
n: 理想因子 (1~2)
耗尽层宽度
W = √(2εSi × Vbi / q × (1/NA + 1/ND))
NA, ND: 掺杂浓度
关键词: PN结, 正偏, 反偏, 耗尽层, 内建电场, 击穿, 齐纳, 雪崩