2.2 PN结

采用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体结合在一起，在两者交界面处形成PN结。PN结具有单向导电性，是很多半导体器件的基础结构。当掺杂受主浓度为 N a 的P型半导体与掺杂施主浓度为 N d 的N型半导体接触后，P型半导体一侧的空穴浓度高于N型半导体一侧，而N型半导体一侧的电子浓度高于P型半导体一侧，这导致空穴从P型区到N型区、电子从N型区到P型区的扩散运动。PN结空间电荷区如图2-9（a）所示，当P型区的空穴离开后，留下了不可移动的带负电荷的电离受主，因此在PN结靠近P型区一侧形成了一个浓度为 N a 的带负电荷的区域。同理，当N型区的电子离开后，留下了不可移动的带正电荷的电离施主，因此在PN结靠近N型区一侧形成了一个浓度为 N d 的带正电荷的区域。通常把PN结交界面附近带有由电离受主和电离施主提供的负电荷和正电荷的区域叫作空间电荷区。

空间电荷区中的电荷产生了一个由N型区指向P型区的内建电场。在该电场作用下，载流子形成漂移运动。载流子漂移运动的方向与前面所述的扩散运动方向相反，因此内建电场起到了阻碍载流子继续扩散的作用。在平衡状态下，载流子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区宽度保持不变。在内建电场的作用下，P型区一侧相对N型区一侧增加了一部分附加电势能，使得P型区能带高于N型区能带，PN结能带图如图2-9（b）所示。从N型区一侧看到P型区一侧存在一个高度为 qV D 的针对电子的势垒，其中 V D 为PN结的接触电势差，其大小为

（2-7）

对PN结两侧施加偏置电压，PN结进入非平衡状态，此时的能带图如图2-10所示（能带弯曲处使用直线近似）。对PN结施加正向偏压 V （P型区接电源正极，N型区接电源负极）时，外加电场方向与内建电场方向相反，内建电场被削弱，势垒高度降低为 q （ V D - V ）。这导致漂移运动被减弱，打破了之前漂移运动和扩散运动的动态平衡，形成了空穴从P型区到N型区、电子从N型区到P型区的净扩散，从而产生与偏压 V 正相关的正向导通电流。当PN结施加反向偏压 V （P型区接电源负极，N型区接电源正极）时，外加电场方向与内建电场方向相同，空间电荷区电场加强，势垒高度升高至 q （ V D + V ）。这导致漂移运动被加强，N型区边界的空穴被驱向P型区，P型区边界的电子被驱向N型区，边界的这些少子被电场驱走后，内部的少子再扩散至边界进行补充，从而形成主要由少子扩散形成的反向电流。当反向电压很大时，边界处的少子浓度降低为零，此时少子的浓度梯度不再随偏压变化，因此反向电流达到饱和。因为少子浓度很低，所以即使在饱和状态下少子的浓度梯度也很小，反向饱和电流也很小。

综上所述，PN结具有单向导电性，其 I - V 特性可表示为

（2-8）

式中， 为PN结截面积； 为PN结的反向饱和电流密度，其大小为

（2-9） n4mj33ebqEBpEh6AR5MLrobPvthPgwhWKDaM1cBVkgyrOYUngwOsywMB8L3E0+Hb