--- title: PN结 (PN Junction) url: https://doc.liz6.com/hardware/03-semiconductor/02-pn-junction locale: zh area: hardware tags: - hardware - 半导体 date: 2026-06-30 modified: 2026-07-11 description: 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。 PN结基本结构:耗尽层与内建电场 P区 ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ 耗尽层空间电荷区无自由载流子 N区 ⊖ ⊖ ⊖ ⊖ ⊖ ⊖ 空穴多电子多空间电荷区 (内建电场) 载流子扩散使正负电荷在… --- # 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*