PN结的形成及特性

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1、2023-1-112023-1-112023-1-11第 3章 二极管及其基本电路 3.2 PN3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 P P是指的是指的P P型半导体型半导体，N N指的是指的是N N型半导体型半导体，当一块纯净的半，当一块纯净的半导体一半掺杂为导体一半掺杂为N N型，一半掺杂为型，一半掺杂为P P型，那么在两个区域之间就型，那么在两个区域之间就形成了一个形成了一个PNPN结（结（结结是指的是指的N N型半导体和型半导体和P P型半导体的交接的型半导体的交接的介介面面上），首先看一下上），首先看一下PNPN结是怎么形成的？结是怎么形成的？在同一片半导体基片上，分别制造了在同

2、一片半导体基片上，分别制造了P P型半导体和型半导体和N N型半导型半导体体.P P型半导体的多子是什么？型半导体的多子是什么？空穴空穴 N N型半导体的多子是什么？型半导体的多子是什么？自由电子自由电子.如果把他们接到一块，在他们的介面上就会存在截流子的如果把他们接到一块，在他们的介面上就会存在截流子的浓度差，如果存在浓度差，就会形成一系列的结果。浓度差，如果存在浓度差，就会形成一系列的结果。2023-1-122023-1-122023-1-12第 3章 二极管及其基本电路 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散N+N+以以N型半导体为基片型半导体为基片通过半导体扩散工艺通过半导体

3、扩散工艺2023-1-132023-1-132023-1-13第 3章 二极管及其基本电路 使半导体的一边形成使半导体的一边形成N型区，另一边形成型区，另一边形成P型区。型区。N+-P-2023-1-142023-1-142023-1-14第 3章 二极管及其基本电路 左边是左边是P P型半导体，右边是型半导体，右边是N N型半导体。型半导体。P P型半导体里面还型半导体里面还画出了它的少子（自由电子）（一个小点），画出了它的少子（自由电子）（一个小点），N N型半导体里型半导体里面也画出了它的少子（空穴）（一个小圆圈面也画出了它的少子（空穴）（一个小圆圈 ）.P P 型半导体型半导体N N

4、型半导体型半导体少子少子(自由电子自由电子)少子少子(空穴空穴)N+-P-2023-1-152023-1-152023-1-15第 3章 二极管及其基本电路 N区有许多自由电子（多数载流子）和几个由于热产生的空穴区有许多自由电子（多数载流子）和几个由于热产生的空穴（少数载流子），而（少数载流子），而P区有许多空穴（多数载流子）和几个由于热产区有许多空穴（多数载流子）和几个由于热产生的自由电子（少数电子）。生的自由电子（少数电子）。PN结构成了基本的二极管。二极管是只结构成了基本的二极管。二极管是只允许电流往一个方向流动的元件。允许电流往一个方向流动的元件。P P 型半导体型半导体N N 型半导

5、体型半导体少子少子(自由电子自由电子)少子少子(空穴空穴)N+-P-2023-1-162023-1-162023-1-16第 3章 二极管及其基本电路(1)在浓度差的作用下，电子从在浓度差的作用下，电子从 N区向区向P区扩散。区扩散。N+-P-2023-1-172023-1-172023-1-17第 3章 二极管及其基本电路(2)在浓度差的作用下，空穴从在浓度差的作用下，空穴从 P区向区向N区扩散。区扩散。N+-P-2023-1-182023-1-182023-1-18第 3章 二极管及其基本电路 在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。由于他们的量比在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。由于他们的

6、量比较大，我们称作多子在进行较大，我们称作多子在进行扩散运动扩散运动.扩散运动扩散运动N+-P-2023-1-192023-1-192023-1-19第 3章 二极管及其基本电路 扩散运动扩散运动空间电荷层空间电荷层扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。荷区逐渐加宽。N+-P-2023-1-1102023-1-1102023-1-110第 3章 二极管及其基本电路 形成内电场形成内电场内电场内电场(E)方向方向 一旦扩散以后，在它的介面上，就剩下了正离子和负离子，这时候就存一旦扩散以后，在它的介面上，就剩下了正离子和负离子，这时候就存形成一个电场形成一个电场.方向是从带正电的方

7、向是从带正电的N N区指向带负电的区指向带负电的P P区。这个电场是在内部区。这个电场是在内部形成的，称为内电场形成的，称为内电场E.E.N+-P-2023-1-1112023-1-1112023-1-111第 3章 二极管及其基本电路 漂移运动漂移运动 电场的的方向是从正离子往负离子走。电场的作用就会促进少数载流子电场的的方向是从正离子往负离子走。电场的作用就会促进少数载流子的运动，自由电子从低电位往髙电位走，空穴是从髙电位往底电位走，由于的运动，自由电子从低电位往髙电位走，空穴是从髙电位往底电位走，由于少子的运动很弱少子的运动很弱(数量很少数量很少)，少子的运动叫做，少子的运动叫做漂移运动

8、漂移运动。内电场内电场E EN+-P-2023-1-1122023-1-1122023-1-112第 3章 二极管及其基本电路 内电场会促进少子的漂移运动，也抑制了多子的扩散运动，虽然少子的量内电场会促进少子的漂移运动，也抑制了多子的扩散运动，虽然少子的量很少，随着漂移的增强，而扩散是越来越弱，最终会达到一种平衡。此时我们很少，随着漂移的增强，而扩散是越来越弱，最终会达到一种平衡。此时我们在这个空间就相当于有这么一个结，这个结不是面，是一段宽度，这段宽度就在这个空间就相当于有这么一个结，这个结不是面，是一段宽度，这段宽度就叫做叫做PNPN结结。N+-P-内电场内电场(E)方向方向3.2.2 P

9、N 3.2.2 PN 结的形成结的形成2023-1-1132023-1-1132023-1-113第 3章 二极管及其基本电路 PNPN结一方面阻碍多子的扩散，另一方面加速少子的漂移结一方面阻碍多子的扩散，另一方面加速少子的漂移 漂移运动漂移运动扩散运动扩散运动N+-P-2023-1-1142023-1-1142023-1-114第 3章 二极管及其基本电路 P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体扩散运动扩散运动扩散的结果是使空扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。间电荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动越强，内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。而漂移使空间电荷区变薄。空间电

10、荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。漂移运动漂移运动内电场内电场E E 因为在因为在PNPN结上只剩下了正负离子结上只剩下了正负离子(正负电荷正负电荷)，也可以称作，也可以称作空间电荷空间电荷区区 .N.N区中的导电电子为了进入区中的导电电子为了进入P P区，必须克服正离子的吸引和负离子的排区，必须克服正离子的吸引和负离子的排斥力。在粒子层建立后，斥力。在粒子层建立后，PNPN结内的区域实际上已经耗尽了导电电子和空穴，结内的区域实际上已经耗尽了导电电子和空穴，所以所以PNPN结也称作是结也称作是耗尽层耗尽层。N+-P-2023-1-1152023-1-1152023-1-115第 3章

11、二极管及其基本电路 空间电荷层空间电荷层 在在P区和区和N区交界面上，留下了一层不能移动的正、负区交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子。在介面上自由电子和空穴就结合了。离子。在介面上自由电子和空穴就结合了。漂移运动漂移运动内电场内电场E E扩散运动扩散运动N+-P-2023-1-1162023-1-1162023-1-116第 3章 二极管及其基本电路 形成电位势垒形成电位势垒势垒势垒V0电位电位V 电场的的方向是从髙电位往底电位走，电场的的方向是从髙电位往底电位走，就是从正离子往就是从正离子往负离子走负离子走，于是，于是N N区一边的电位高于区一边的电位高于P P区一边，如图所示。区一边

12、，如图所示。N+-P-2023-1-1172023-1-1172023-1-117第 3章 二极管及其基本电路 当扩散与漂移作用平衡时当扩散与漂移作用平衡时a.流过流过PN结的净电流为零结的净电流为零b.PN结的厚度一定（约几个微米）结的厚度一定（约几个微米）c.接触电位一定（约零点几伏）接触电位一定（约零点几伏）N+-P-2023-1-1182023-1-1182023-1-118第 3章 二极管及其基本电路 PN结形成过程动画演示结形成过程动画演示2023-1-1192023-1-1192023-1-119第 3章 二极管及其基本电路 扩散使扩散使PNPN结变宽，使它的内电场变强，而漂移的

13、结变宽，使它的内电场变强，而漂移的作用又使空间电荷区变薄，最终作用又使空间电荷区变薄，最终PNPN结稳定在一定的宽结稳定在一定的宽度度.P P型半导体和型半导体和N N型半导体一结合，在交界面上形成型半导体一结合，在交界面上形成了稳定的电层，我们利用了稳定的电层，我们利用PNPN结的这个特性结的这个特性了解它是如了解它是如何具备单向导电性何具备单向导电性.还要利用这个特性设计制造二极管和三极管。还要利用这个特性设计制造二极管和三极管。2023-1-1202023-1-1202023-1-120第 3章 二极管及其基本电路 1.1.空间电荷区中没有载流子。只剩下正负离子空间电荷区中没有载流子。只

14、剩下正负离子.2.2.空间电荷区由于存在内电场空间电荷区由于存在内电场，内电场阻碍内电场阻碍P P区区中的空穴中的空穴(多子多子)运动运动.由于多子很多我们称作由于多子很多我们称作扩扩散运动散运动。促进了少子的漂移运动。促进了少子的漂移运动.，3.3.P P 区中的电子和区中的电子和N N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少），数），数量有限，因此由它们形成的电流很小。量有限，因此由它们形成的电流很小。小结小结4.4.随着内电场的增强，扩散运动越来越缓慢，此随着内电场的增强，扩散运动越来越缓慢，此时它就达到了动态平衡时它就达到了动态平衡.2023-1-1212023-1-1212023-1-1

15、21第 3章 二极管及其基本电路 一个一个PNPN结就是一个二极管，在平衡状态下，结就是一个二极管，在平衡状态下，PNPN结中没结中没有电流。有电流。PNPN结最重要的特性是单向导电特性。结最重要的特性是单向导电特性。实验：实验：PNPN结的导电性结的导电性。按如下方式进行按如下方式进行PNPN结导电性的实验，结导电性的实验，因为因为PNPN结加上封装外壳和电极引线就是二极管，所以拿一个结加上封装外壳和电极引线就是二极管，所以拿一个二极管来当成二极管来当成PNPN结。结。P P区为正极；区为正极；N N区为负极。对于图示的实区为负极。对于图示的实验电路。验电路。二极管正向连接二极管正向连接二极

16、管反向连接二极管反向连接3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性2023-1-1222023-1-1222023-1-122第 3章 二极管及其基本电路 仿真P 此时发光二极管发光，说明此时发光二极管发光，说明PNPN结结导电。导电。若若P P区的电位区的电位高于高于N N区，电流从区，电流从P P区流到区流到N N区，区，PNPN结呈低结呈低阻性，所以电流大；阻性，所以电流大；PN结正向偏置结正向偏置 当外加直流电压使当外加直流电压使PN结结P型半导体的一型半导体的一端的电位高于端的电位高于N型半导体一端的电位时（也就是允许电流流型半导体一端的电位时（也就是允许电流流过过PN结结的条件）

17、，称的条件），称PN结正向偏置，简称正偏。结正向偏置，简称正偏。注：注：偏置就是指加在半导体元件上设置其工作条件的固定直偏置就是指加在半导体元件上设置其工作条件的固定直流电压。流电压。2023-1-1232023-1-1232023-1-123第 3章 二极管及其基本电路 PN结正向偏置结正向偏置-PN+-+RSE内内+E2023-1-1242023-1-1242023-1-124第 3章 二极管及其基本电路-PN+-+RSE内内+E 当直流电源将二极管正向偏置后，由于静电场的作用，当直流电源将二极管正向偏置后，由于静电场的作用，电源的负端将电源的负端将N区中的导电电子推向区中的导电电子推向P

18、N结，而电源的正端也结，而电源的正端也将将P区中的空穴推向区中的空穴推向PN结。结。正向电流正向电流2023-1-1252023-1-1252023-1-125第 3章 二极管及其基本电路 当外加的偏置电压足以克服势垒电位时，电子就有足够当外加的偏置电压足以克服势垒电位时，电子就有足够的能量进入耗尽层并越过的能量进入耗尽层并越过PN结。与结。与P区中空穴复合。当这些区中空穴复合。当这些电子离开电子离开N区后，会有更多的电子从电源的负端流出。区后，会有更多的电子从电源的负端流出。-PN+-+RSE内内+E2023-1-1262023-1-1262023-1-126第 3章 二极管及其基本电路 因

19、此，导电电子（多数载流子）朝着因此，导电电子（多数载流子）朝着PN结方向的移动产结方向的移动产生了生了N区的电流。这些导电电子进入区的电流。这些导电电子进入P区后与空穴复合，变成区后与空穴复合，变成价电子。然后，价电子会一个一个空穴地向阳极方向移动。价电子。然后，价电子会一个一个空穴地向阳极方向移动。-PN+-+RSE内内+E2023-1-1272023-1-1272023-1-127第 3章 二极管及其基本电路 价电子的移动实际上产生了空穴反方向的移动。所以价电子的移动实际上产生了空穴反方向的移动。所以P区区中电流是由空穴（多数载流子）朝着中电流是由空穴（多数载流子）朝着PN结方向移动产生的

20、。结方向移动产生的。-PN+-+RSE内内+E2023-1-1282023-1-1282023-1-128第 3章 二极管及其基本电路 PN结正偏动画演示结正偏动画演示外电场削弱内电场外电场削弱内电场耗尽层变窄耗尽层变窄扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子扩散形成正向电流多子扩散形成正向电流I I F FPN结内的电流由起支配地位的扩散电流决定，称为正向电流。结内的电流由起支配地位的扩散电流决定，称为正向电流。2023-1-1292023-1-1292023-1-129第 3章 二极管及其基本电路 此时发光二极管不发光，说明此时发光二极管不发光，说明PNPN结结不导电。这个实验不导电。这个实验

21、说明说明PNPN结（二极管）具有单向导电性。结（二极管）具有单向导电性。若若P P区的电位区的电位低于低于N N区，电流从区，电流从N N区流到区流到P P区，区，PNPN结呈高结呈高阻性，所以电流小。阻性，所以电流小。PN结反向偏置结反向偏置 当外加直流电压使当外加直流电压使PN结结N型半导体的一型半导体的一端的电位高于端的电位高于P型半导体一端的电位时（阻止电流流过型半导体一端的电位时（阻止电流流过PN结结的偏置条件），称的偏置条件），称PN结反向偏置，简称反偏。结反向偏置，简称反偏。仿真P2PN结反向偏置结反向偏置 2023-1-1302023-1-1302023-1-130第 3章 二

22、极管及其基本电路 PN结变宽结变宽2PN结反向偏置结反向偏置 反向偏置是阻止电流流过反向偏置是阻止电流流过PN结的偏置条件。结的偏置条件。-PN+-+RSE内内+E2023-1-1312023-1-1312023-1-131第 3章 二极管及其基本电路 由于异性电荷相互吸引，电源的负端吸引由于异性电荷相互吸引，电源的负端吸引P区中的空穴，区中的空穴，而电源的正端吸引而电源的正端吸引N区中的电子，使空穴和电子均远离区中的电子，使空穴和电子均远离PN结。结。-PN+-+RSE内内+E2023-1-1322023-1-1322023-1-132第 3章 二极管及其基本电路 因此，耗尽层变宽，因此，耗

23、尽层变宽，N区中的正离子和区中的正离子和P区中的负离子区中的负离子增加，直到两边的势垒差等于外加偏置电压。因此，当二极增加，直到两边的势垒差等于外加偏置电压。因此，当二极管反相偏置时，耗尽层相当于两个反相的带电离子层之间的管反相偏置时，耗尽层相当于两个反相的带电离子层之间的绝缘体。绝缘体。-PN+-+RSE内内+E2023-1-1332023-1-1332023-1-133第 3章 二极管及其基本电路 内电场增强内电场增强PN结变宽结变宽PN结呈现高阻、结呈现高阻、截止状态截止状态不利多子扩散不利多子扩散有利少子漂移有利少子漂移2PN结反向偏置结反向偏置 外电场加强内电场外电场加强内电场耗尽层

24、变宽耗尽层变宽漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流。-PN+-+RSE内内+E2023-1-1342023-1-1342023-1-134第 3章 二极管及其基本电路 因少子浓度主要与温度有关，此电流称为反向饱和电流。因少子浓度主要与温度有关，此电流称为反向饱和电流。有时候称作漏电流。这个漏电流的多少基本上是由本征激发有时候称作漏电流。这个漏电流的多少基本上是由本征激发所决定的所决定的.-PN+-+RSE内内+E2023-1-1352023-1-1352023-1-135第 3章 二极管及其基本电路 PN结反偏动画演示结反偏动画演示由此可以得出结论：由此可以

25、得出结论：PN结具有单向导电性结具有单向导电性 PN结加正向电压结加正向电压时，呈现低电阻，具时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电有较大的正向扩散电流；流；PN结加反向电压结加反向电压时，呈现高电阻，具时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电有很小的反向漂移电流。流。由此可以得出结由此可以得出结论：论：PN结具有单向导结具有单向导电性。电性。演示演示A02204 PN结加反向电压时的结加反向电压时的导电情况导电情况2023-1-1372023-1-1372023-1-137第 3章 二极管及其基本电路 按电容的定义按电容的定义 dUdQCUQC或 即电压变化将引起电荷变化,从而反映出电容效应。由由

26、于二极管的两个极靠的就是于二极管的两个极靠的就是PNPN结，所以极间电容也称作结，所以极间电容也称作结电结电容容，而结两端加上电压,结内就有电荷的变化,说明结具有电容效应。结极间电容主要极间电容主要具有是两部分是两部分两种电容：一部分称作一部分称作势垒电容势垒电容，一个叫做，一个叫做扩散电容扩散电容。3.2.5 PNPN结的电容效应结的电容效应2023-1-1382023-1-1382023-1-138第 3章 二极管及其基本电路 1.1.势垒电容势垒电容C CB BWSdUdQCB 势垒电容：势垒电容：当外加电压发生改变了，当外加电压发生改变了，PNPN结的宽度也要相应结的宽度也要相应发生改

27、变，发生改变，PNPN结中里面的正负电荷数量要随之而改变，电结中里面的正负电荷数量要随之而改变，电荷的改变就好像是电容在充、放电。这显示出来就是一种电荷的改变就好像是电容在充、放电。这显示出来就是一种电容效应，把这种电容效应就称作是容效应，把这种电容效应就称作是势垒电容势垒电容。势垒区势垒区就是积累空间电荷的区域，也就是就是积累空间电荷的区域，也就是PNPN结，当外界电结，当外界电压发生变化时候，压发生变化时候，PNPN结中的电荷量发生变化，表现出来的电结中的电荷量发生变化，表现出来的电容就是容就是势垒势垒电容。用电容。用B B表示。理论推导表示。理论推导 2023-1-1392023-1-1

28、392023-1-139第 3章 二极管及其基本电路 阻挡层内电荷量随外加电压变化阻挡层内电荷量随外加电压变化 势垒电容势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。空间电荷区是是由阻挡层内空间电荷引起的。空间电荷区是由不能移动的正负杂质离子所形成的由不能移动的正负杂质离子所形成的,均具有一定的电荷量均具有一定的电荷量,所以在结储存了一定的电荷所以在结储存了一定的电荷,当外加电压使阻挡层变宽当外加电压使阻挡层变宽时时,电荷量增加电荷量增加,如图所示如图所示.2023-1-1402023-1-1402023-1-140第 3章 二极管及其基本电路 势垒电容和外加电压的关系 B2023-1-1412023-

29、1-1412023-1-141第 3章 二极管及其基本电路 2 2扩散电容扩散电容C CD DP P区中电子浓度的分布曲线及电区中电子浓度的分布曲线及电荷的积累图荷的积累图 当当PNPN结加正向电压时结加正向电压时,N,N区区的电子扩散到的电子扩散到P P区区,同时同时P P区的空区的空穴也向穴也向N N区扩散。显然区扩散。显然,在在PNPN区区交界处交界处(x x),),载流子的浓度载流子的浓度最高。最高。由于扩散运动由于扩散运动,离交界处愈离交界处愈远远,载流子浓度愈低载流子浓度愈低,这些扩散这些扩散的载流子在扩散区积累了电荷的载流子在扩散区积累了电荷,总的电荷量相当于图总的电荷量相当于图

30、1 11111中曲中曲线以下的部分线以下的部分(图图1-111-11表示了表示了P P区电子区电子p p的分布的分布)。扩散电容扩散电容是是PNPN结在正向电压时结在正向电压时,多数载流子在扩散过程中多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。引起电荷积累而产生的。2023-1-1422023-1-1422023-1-142第 3章 二极管及其基本电路 若若PNPN结正向电压加大结正向电压加大,则多则多数载流子扩散加强数载流子扩散加强,电荷积累由电荷积累由曲线曲线1 1变为曲线变为曲线2,2,电荷增加量为电荷增加量为Q Q；反之反之,若正向电压减少若正向电压减少,则积累的电荷将减少。则积累的电

31、荷将减少。这就是扩散电容效应这就是扩散电容效应C CD D,扩扩散电容正比于正向电流散电容正比于正向电流,即即C CD DI I。所以。所以PNPN结的结电容结的结电容C C包括两部分包括两部分,即即C Cj jC CC C。一般说来一般说来,PN,PN结正偏时结正偏时,扩散扩散电容起主要作用电容起主要作用,；当当PNPN结反偏时结反偏时,势垒电容起主势垒电容起主要作用要作用,即即。P P区中电子浓度的分布曲线及电区中电子浓度的分布曲线及电荷的积累图荷的积累图2023-1-1432023-1-1432023-1-143第 3章 二极管及其基本电路 扩散电容：扩散电容：当外加正向电压不同当外加正

32、向电压不同时，时，PNPN结两侧堆积的少子的数量结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度（电荷中引起的少子）及浓度梯度（电荷中引起的少子）也不同，这样所产生的电容就是也不同，这样所产生的电容就是扩散电容扩散电容.从外部看二极管就有电容效从外部看二极管就有电容效应，二极管对交流信号有电容应，二极管对交流信号有电容效应，对直流来说电容就是开效应，对直流来说电容就是开路，所以只有在交流的情况下路，所以只有在交流的情况下才会表现出来。才会表现出来。NPpLx浓度分布浓度分布区中空穴区中空穴区中电子区中电子浓度分布浓度分布nL+-耗尽层耗尽层NP区区区区2023-1-1442023-1-1442023-1-144第 3章 二极管及其基本电路 CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电势垒电容和扩散电容的综合效应容的综合效应rd