ROHM課堂 | PN結(jié)（PN junction）詳解

在半導體材料中，通過向硅或鍺等元素中添加雜質(zhì)(摻雜)，可以顯著改變其電氣性質(zhì)。要理解PN結(jié)，需要先掌握p型和n型各自的特點。

p型半導體的特點

p型半導體具有以空穴作為多數(shù)載流子進行導電的特性。具體而言，就是在硅等四價元素半導體中摻入三價元素(如硼)時，會在價帶中產(chǎn)生電子缺失，這便起到空穴的作用。

理解這些性質(zhì)，有助于更直觀地理解后續(xù)將要涉及的PN結(jié)內(nèi)部的空穴運動。

n型半導體中，電子作為多數(shù)載流子發(fā)揮作用。典型方法是通過向硅中摻入五價元素(如磷、砷等)，增加自由電子的數(shù)量，從而提高電導率。

PN結(jié)是指在單個半導體晶體內(nèi)，p型區(qū)與n型區(qū)相互接觸形成的結(jié)構(gòu)。在該接觸界面附近，電子和空穴通過擴散與復合，形成稱為“耗盡層”的載流子稀少區(qū)域，并產(chǎn)生內(nèi)建電勢。這一特性便是二極管和晶體管等電子元器件工作原理的基礎(chǔ)。

PN結(jié)的形成機制

當p型和n型在同一塊晶片上接觸時，在交界面附近多數(shù)載流子會相互擴散。p型側(cè)的空穴會向n型側(cè)擴散，n型側(cè)的電子則會向p型側(cè)擴散，從而在交界面附近發(fā)生復合現(xiàn)象。

p型和n型在同一塊晶片上的接觸(結(jié))

在實際制造過程中，通常采用在晶圓上施以摻雜工藝，從而局部形成p型和n型區(qū)域的技術(shù)來實現(xiàn)的。利用這種技術(shù)，可以在同一塊晶圓襯底上制造出p型區(qū)域和n型區(qū)域緊密鄰接的狀態(tài)。

在交界面附近發(fā)生的載流子擴散與復合

在初期階段，p側(cè)的空穴與n側(cè)的電子會互相交織并向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散。但是，在移動的載流子之間會發(fā)生復合，導致邊界附近區(qū)域幾乎沒有剩余的載流子，從而形成所謂的“耗盡”狀態(tài)。

通過這一過程形成的耗盡層，決定了PN結(jié)的基本結(jié)構(gòu)。

耗盡層與內(nèi)建電勢

當p型與n型區(qū)域接觸形成耗盡層時，會使得p側(cè)和n側(cè)電離后的雜質(zhì)暴露出來。在p型側(cè)，留下了帶負電的受主;而在n型側(cè)，則留下了帶正電的施主，從在兩者的交界處會產(chǎn)生電場。

耗盡層(depletion region)的形成

可移動載流子稀少的區(qū)域被稱為“耗盡層”。耗盡層中幾乎沒有有效的載流子存在，但電離后雜質(zhì)的固定電荷仍然存在，這成為產(chǎn)生內(nèi)部電場的根源。

內(nèi)建電勢(約0.6～0.7V)引起的載流子移動阻礙

以硅材料為例，在室溫下會產(chǎn)生約0.～0.7V的內(nèi)建電勢差。在這種內(nèi)建電勢的作用下，來自p側(cè)和n側(cè)的載流子將無法輕易向?qū)Ψ絽^(qū)域移動。結(jié)果便是，除非從外部施加能量(電勢差)，否則將處于無法流過大電流的狀態(tài)。

內(nèi)建電勢在PN結(jié)處于無電源狀態(tài)時也會自發(fā)產(chǎn)生，從而限制電荷的移動。這一特性正是二極管等器件實現(xiàn)單向?qū)щ娦缘幕A(chǔ)。

向PN結(jié)施加電壓會改變耗盡層的厚度和內(nèi)建電勢的有效值，從而使電流的流動方式也發(fā)生顯著變化。在這里，我們將對二極管的正向偏置和反向偏置進行講解。

正向偏置和反向偏置

從外部將電源連接至PN結(jié)，使p側(cè)接正極、n側(cè)接負極的狀態(tài)，稱為“正向偏置”。這時耗盡層變窄，電流相對容易流過。

正向偏置時：耗盡層變窄，電流易于流過

當向p側(cè)施加正電位、向n側(cè)施加負電位時，會削弱內(nèi)建電勢，從而使載流子更容易跨越勢壘。當外加電壓超過內(nèi)建電勢時，將開始流過大電流。

反向偏置時：耗盡層變寬，電流非常小(僅限于漏電流)

當向p側(cè)施加負電位、向n側(cè)施加正電位時，內(nèi)建電勢進一步增強，導致載流子更加難以移動。結(jié)果是反向電流僅維持在微弱的漏電流程度，其數(shù)值之小，在正常工作中幾乎可以忽略不計。

利用這一特性，二極管可用于交流波形整流(AC→DC轉(zhuǎn)換)或開關(guān)工作。

電流特性與肖克利方程

連接PN結(jié)二極管的電流-電壓特性通?？梢酝ㄟ^以下“肖克利方程”近似表示：

其中，

肖克利方程推導概述

內(nèi)建電勢的溫度特性

對于硅二極管而言，當溫度升高時，內(nèi)建電勢通常會呈現(xiàn)略微下降的趨勢。這也歸因為熱能量的增加使得載流子更容易發(fā)生遷移。

反向電流增大和工作特性變化

反向飽和電流I0會隨著溫度升高而增加，因此即使在相同偏置電壓下，反向電流也會略有增大。而要在高溫環(huán)境中使用時，需要基于這種漏電流和特性變化進行產(chǎn)品設(shè)計。

利用PN結(jié)的特性，業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出了具有各種功能的二極管。在這里我們將對典型的齊納二極管及其他二極管的應用進行簡單介紹。

利用齊納二極管進行電壓控制

齊納二極管是利用了PN結(jié)反向偏壓擊穿現(xiàn)象的器件?；邶R納效應，當反向電壓超過特定電壓值時，電流會開始急劇流動，從而能夠?qū)㈦妷罕３衷诤愣ㄖ怠?/span>

反向偏壓下的齊納擊穿

齊納二極管通過提高PN結(jié)的摻雜濃度等手段，將擊穿電壓設(shè)計得較低，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的工作。

電源電壓基準與在保護電路中的應用

齊納二極管被用作電壓基準器件并用于過壓保護，在電路設(shè)計中發(fā)揮著重要作用。

擊穿分為齊納擊穿和雪崩擊穿兩種，根據(jù)電壓的高低，起主導作用的機制也會有所不同。但在實際應用中，通常兩者都被視為“齊納二極管”而用于相同的用途中。

其他二極管的應用

利用PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦院头聪蛱匦?，業(yè)界制造出了多種多樣的電子元器件。

整流二極管(AC→DC轉(zhuǎn)換)

作為將交流電(AC)整流轉(zhuǎn)換為直流電(DC)的基本配置被廣為使用。其應用形式非常廣泛，包括橋式二極管和半波整流等多種不同的形態(tài)。

LED和激光二極管等發(fā)光器件(※這里僅作概述)

利用正向偏置時電子與空穴復合并釋放光子的現(xiàn)象。根據(jù)材料的不同，所發(fā)射光的波長也會發(fā)生變化，其應用范圍已從紅光擴展到紫外光區(qū)域。

這些豐富多彩的應用實例，無一不是巧妙利用PN結(jié)特性的結(jié)果，在電子工程領(lǐng)域中占據(jù)著核心地位。

通過在同一塊晶片上使p型和n型半導體相接觸，會形成耗盡層和內(nèi)建電勢，從而產(chǎn)生PN結(jié)特有的電氣特性。PN結(jié)的工作機制是通過外部施加的偏置電壓來改變耗盡層的厚度和內(nèi)建電勢，從而實現(xiàn)對大電流是否能大量流過的控制。

這種單向?qū)щ姷男再|(zhì)稱為“二極管特性”，已被廣泛應用于整流器、保護電路和發(fā)光器件等眾多領(lǐng)域。此外，通過肖克利方程等手段定量把握二極管的電流-電壓特性，還能進一步提升電路設(shè)計的精度。

齊納二極管的穩(wěn)壓作用以及各種二極管應用，本質(zhì)上都是基于PN結(jié)物理現(xiàn)象的應用。學習半導體元器件的基礎(chǔ)知識時，對PN結(jié)的深入理解至關(guān)重要，這也是進行電子電路設(shè)計和分析時不可或缺的知識。