PN 結(jié)及其形成原理

田金省

摘 要：在半導(dǎo)體物理中，PN結(jié)估計(jì)是最基本同時(shí)也是最重要的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)了。但是很多人在剛開(kāi)始接觸的時(shí)候，理解PN結(jié)的形成過(guò)程和工作原理是有一定難度的。該篇文章主要就這兩方面做了詳細(xì)的介紹，希望有助于加深對(duì)其的理解。同時(shí)文中就PN結(jié)的典型特性——單向?qū)щ娦宰隽嗽敿?xì)闡述。

關(guān)鍵詞：PN結(jié);結(jié)構(gòu);半導(dǎo)體;原理

PN結(jié)——采用不同的摻雜工藝，通過(guò)擴(kuò)散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)（英語(yǔ)：PN junction）。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，是電子技術(shù)中許多器件所利用的特性，例如半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管的物質(zhì)基礎(chǔ)。

雜質(zhì)半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體（N為Negative的字頭，由于電子帶負(fù)電荷而得此名）：摻入少量雜質(zhì)磷元素（或銻元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導(dǎo)體原子（如硅原子）被雜質(zhì)原子取代，磷原子外層的五個(gè)外層電子的其中四個(gè)與周?chē)陌雽?dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，多出的一個(gè)電子幾乎不受束縛，較為容易地成為自由電子。于是，N型半導(dǎo)體就成為了含電子濃度較高的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性主要是因?yàn)樽杂呻娮訉?dǎo)電。

P型半導(dǎo)體（P為Positive的字頭，由于空穴帶正電而得此名）：摻入少量雜質(zhì)硼元素（或銦元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導(dǎo)體原子（如硅原子）被雜質(zhì)原子取代，硼原子外層的三個(gè)外層電子與周?chē)陌雽?dǎo)體原子形成共價(jià)鍵的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“空穴”，這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)“填充”，使得硼原子成為帶負(fù)電的離子。這樣，這類半導(dǎo)體由于含有較高濃度的“空穴”（“相當(dāng)于”正電荷），成為能夠?qū)щ姷奈镔|(zhì)。

PN結(jié)的形成：

PN結(jié)是由一個(gè)N型摻雜區(qū)和一個(gè)P型摻雜區(qū)緊密接觸所構(gòu)成的，其接觸界面稱為冶金結(jié)界面。在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，我們稱兩種半導(dǎo)體的交界面附近的區(qū)域?yàn)镻N結(jié)。

在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)自由電子為多子空穴幾乎為零稱為少子，而P型區(qū)內(nèi)空穴為多子自由電子為少子，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差。由于自由電子和空穴濃度差的原因，有一些電子從N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散。它們擴(kuò)散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。開(kāi)路中半導(dǎo)體中的離子不能任意移動(dòng)，因此不參與導(dǎo)電。這些不能移動(dòng)的帶電粒子在P和N區(qū)交界面附近，形成了一個(gè)空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)的薄厚和摻雜物濃度有關(guān)。在空間電荷區(qū)形成后，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)形成了內(nèi)電場(chǎng)，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。顯然，這個(gè)電場(chǎng)的方向與載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反，阻止擴(kuò)散。

另一方面，這個(gè)電場(chǎng)將使N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，漂移運(yùn)動(dòng)的方向正好與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補(bǔ)充了原來(lái)交界面上P區(qū)所失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補(bǔ)充了原來(lái)交界面上N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，內(nèi)電場(chǎng)減弱。因此，漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。

最后，多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄層，這個(gè)離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

單向?qū)щ娦裕?/p>

（1）PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通

如果電源的正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)，外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，PN結(jié)處于正向偏置。電流便從P型一邊流向N型一邊，空穴和電子都向界面運(yùn)動(dòng)，使空間電荷區(qū)變窄，電流可以順利通過(guò)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是，內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。

（2）PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止

如果電源的正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)，外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，PN結(jié)處于反向偏置。則空穴和電子都向遠(yuǎn)離界面的方向運(yùn)動(dòng)，使空間電荷區(qū)變寬，電流不能流過(guò)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。

在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流;PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

上文提到PN結(jié)是半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管的物質(zhì)基礎(chǔ)，可以說(shuō)該結(jié)構(gòu)存在于集成電路器件的各個(gè)角落，它是最基本的結(jié)構(gòu)，但是卻占據(jù)了半導(dǎo)體物理的半壁江山。透徹的理解其結(jié)構(gòu)對(duì)理解其它半導(dǎo)體器件有著較大的幫助。學(xué)習(xí)是一個(gè)反復(fù)思考的過(guò)程，思考的多了也就自然明了了。希望大家在該文章中有著自己的理解，從中找到對(duì)自己有幫助的東西。