PN结原理
pn结的工作原理
pn结的工作原理一、什么是pn结1.定义pn结是一种由P型半导体和N型半导体组成的二极管结构。
P型半导体具有正电荷的空穴载流子，N型半导体具有负电荷的电子载流子。
两者结合后，形成了本征层，而本征层呈电荷中性。
2.结构pn结由两片半导体材料组成，P型半导体和N型半导体通过特殊的工艺结合在一起。
在结合的区域，形成了本征层，同时还有一个称为空间电荷区的区域。
二、pn结的原理1.形成势垒当P型半导体和N型半导体结合时，由于P型半导体和N型半导体中载流子的扩散运动，使得少数载流子相对集中在交界处。
同时，在交界处由于少数载流子的扩散，会形成势垒，即电子从N型半导体向P型半导体扩散，空穴从P型半导体向N型半导体扩散。
这种电子和空穴的扩散使得按钮状端面带有外场，形成空间电荷区。
2.势垒的作用势垒在pn结中起到重要的作用。
2.1 阻止电流势垒可以阻止电子和空穴的进一步扩散，使得载流子的浓度达到一种动态平衡。
2.2 产生电场势垒中存在电场，该电场方向从N型半导体指向P型半导体。
这个电场会使得在内部电场力的作用下，N型半导体的电子向P型半导体靠拢，P型半导体的空穴向N型半导体靠拢。
这种聚集的现象形成了电势差，也就是势垒。
2.3 形成平衡当势垒形成时，形成的电场会产生一个与扩散电流方向相反的漂移电流。
当扩散电流和漂移电流平衡时，达到动态稳定状态，此时的电流为零。
3.正向偏置当外界电压为正向时，即P端为正，N端为负，这种情况下势垒会减小，电子和空穴有利于向势垒方向扩散，增大电流。
正向偏置下的pn结相当于一个导通的开关。
4.反向偏置当外界电压为反向时，即P端为负，N端为正，势垒会增大，阻止电子和空穴的扩散。
反向偏置下的pn结相当于一个导断的开关。
三、pn结的应用1.二极管pn结最基本的应用就是二极管。
二极管可以实现对电流的单向导通，广泛应用于整流电路和信号调理电路等。
2.太阳能电池太阳能电池是一种将光能转化为电能的器件。
它利用了pn结的特性，在光的作用下产生光生电压，从而产生电能。
pn结工作原理
pn结工作原理
PN结是由P型半导体和N型半导体材料结合而成的一种二极
管结构。
其工作原理主要涉及了P型半导体的空穴（正电荷
载流子）和N型半导体的自由电子（负电荷载流子）之间的
扩散和漂移过程。
当PN结处于正向偏置时，P型半导体的空穴向结区域扩散，
而N型半导体的自由电子向结区域漂移。
扩散过程中，空穴
和自由电子发生复合消失，形成电荷中性的正负离子。
这样，在结区域的一侧积累了正离子，而在另一侧积累了负离子，形成了电场。
这个电场阻碍了进一步的电荷扩散，称为势垒。
势垒形成后，电流可以通过PN结，这就是二极管正向导通的原理。
当PN结处于反向偏置时，P型半导体的空穴向结区域扩散，
N型半导体的自由电子向结区域漂移。
扩散过程中，空穴和自由电子快速发生复合消失，形成电荷中性的正负离子。
由于没有形成有效的电场，电流几乎不能通过PN结，这就是二极管
反向截止的原理。
PN结的工作原理可用以下过程概括：
1. 正向偏置：空穴和自由电子在结区域发生复合消失，形成电场势垒，电流通过。
2. 反向偏置：快速复合消失形成电荷中性，电流几乎不能通过。
最后的原理可以用言简意赅的句子来总结：PN结的工作原理
是通过正向偏置形成势垒，阻碍电荷扩散，使电流通过；而反向偏置时，电荷快速复合消失，电流几乎不能通过。
pn结的形成原理
pn 结的形成原理P 型半导体在纯净的硅晶体中掺入3 价元素如硼，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P 型半导体。
在P 型半导体中，空穴为多字，自由电子为少子，主要靠空穴导电。
掺入的杂质越多，空穴的浓度就越大，导电性就越强。
N 型半导体在纯净的硅晶体中掺入5 价元素如磷，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N 型半导体。
在N 型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，故自由电子为多子，空穴为少子。
如下图：pn 结的形成当P 型半导体和N 型半导体接合在一起的时候，由于P 型半导体中空穴浓度高，而N 型半导体中电子浓度高，因此会形成一个扩散运动，P 型半导体中空穴会向它浓度低的地方扩散，从而扩散到N 型区，N 型半导体的电子也会向它浓度低的地方扩散，从而扩散到P 型区。
这样一来，P 型区剩下不能自由移动的负离子，而N 型区剩下不能自由移动的正离子，一正一负，在PN 结内部形成了一个从左往右的内电场，基本上这个内电场就体现PN 结的工作特性。
另外有一点要说明的是，PN 结只是局部带电，即P 型区呈负电，而N 型区呈负电，但是它们俩一中和，整体上是呈中性的。
pn 结的形成原理在杂质半导体中，正负电荷数是相等的，它们的作用相互抵消，因此保持电中性。
1、载流子的浓度差产生的多子的扩散运动在P 型半导体和N 型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差，N 型区内的电子很多而空穴很少，P 型区内的空穴而电子很少，这样电子和空穴很多都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，因此，有些电子要从N 型区向P 型区扩散，也有一些空穴要从P 型区向N 型区扩散。
2、电子和空穴的复合形成了空间电荷区电子和空穴带有相反的电荷，它们在扩散过程中要产生复合（中和），结果使P 区和N 区中原来的电中性被破坏。
P 区失去空穴留下带负电的离子，N 区失去电子留下带正电的离子，这些离子因物质结构的关系，它们不能移动，因此称为空间电荷，它们集中在P 区和N 区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的PN 结。
pn结的形成原理
pn结的形成原理
1 什么是 pn 结
PN 结是一种构造于两种不同材料之间的半导体器件。
PN结由一种掺有三价杂质的半导体（如硼掺入硅）和一种掺有五价杂质的半导体（如磷掺入硅）组成。
当它们被熔合在一起时，掺杂的材料会互相扩散，形成一个电势降和电场。
2 PN 结的形成原理
半导体中的掺杂，可以有效地改变其导电性质。
在半导体中，掺
入三价杂质如硼可以形成电子空位，形成类似于p型材料的区域，称
为p区；掺入五价杂质如磷可以形成多余的电子，形成n型材料的区域，称为n区。
当一个p区和一个n区接触，原来分布于两个区域中的自由电子
和空穴会相互扩散，形成一个电势降和电场。
电子从n区移动到p区，空穴从p区移动到n区，大部分通过复合相互消失，少部分在pn结中
留下尘埃，产生电流。
PN结具有导电性和单向性。
当PN结处于正向电压时，如p区为正电，n区为负电，自由电子从n区向p区扩散，空穴从p区向n区扩散，使得PN结的电流变大，这称为正向电压。
如果PN结处于反向电压时，如p区为负电，n区为正电，此时自
由电子受到PN结场的吸引，移向n区，空穴移向p区。
由于电子与空
穴相互扩散后，在受到PN结场的阻抗下变得微不足道，所以反向电压
条件下，PN结不导电，这称为反向电压。
3 PN 结的应用
PN结是半导体器件中最基本的构件之一，它有许多应用，例如用
于制造二极管、晶体管和场效应晶体管等器件。
PN结还可以作为太阳
电池和CMOS象元等集成电路器件中的基本单元。
在现代光电子技术中，PN结也常被用作光检测器或光电转换器件，将光子能量转换成电子能量。
pn结工作原理
pn结工作原理PN结工作原理——————————PN结（P-N结）是一种电子元器件，它是由半导体材料制成的，它以特殊方式将正极和负极连接在一起，形成一个开关。
它具有高效率，低功耗，小体积和可靠性等优点，因此在电子设备中有广泛的应用。
## 一、PN结的结构PN结是一种双极型半导体元件，它由N型半导体和P型半导体两部分组成。
N型半导体由大量的电子组成，这些电子可以自由流动，而P型半导体则由大量的“空穴”组成，它们也可以自由流动。
当N型半导体与P型半导体接触时，电子会从N型半导体流入P型半导体，而“空穴”则会从P型半导体流入N型半导体。
这样一来，N型半导体就会变成正极，而P型半导体就会变成负极。
这就是PN结的工作原理。
## 二、PN结的工作原理当外界施加电压时，N型半导体中的电子会向P型半导体流动，而P型半导体中的“空穴”也会向N型半导体流动。
这样一来，就形成了一个封闭的电路，从而使PN结可以正常工作。
PN结的工作原理也可以被用来实现开关功能，通过施加一定的电压来控制PN结的工作状态。
## 三、PN结的应用PN结在日常生活中有广泛的应用，如家用电器、汽车电子元件、无线电设备、智能手机、计算机及其周边设备等。
它也可以用来实现开关功能，如游戏机上的开关键、手机上的开关键、家用电器上的开关键等。
此外，PN结还可以应用于光学元件、电子真空表、数据传输、光电检测、通信设备、工业控制、激光输出、特殊测量仪器、数字显示设备、医学诊断仪器、航天设备、军事设备等领域。
## 四、PN结的优势PN结具有高效率、低功耗、小体积及可靠性优势，因此在电子设备中有广泛的应用。
PN结的高效性意味着它可以将很少的能量转化为大量的能量。
此外，PN结也具有高速度反应性能，因此可以很快地完成任务。
此外，PN结还具有耐高温特性，因此可以在高温下工作。
最后，PN结还具有耐腐蚀性能，因此可以在各种不同的情况下工作。
PN结是一种常用的半导体元件，它通过特殊方式将正极和负极连接在一起，形成一个开关。
pn结工作原理
pn结工作原理
PN结是半导体器件中最基本的元件之一，工作原理基于P型半导体与N型半导体的结合。
PN结由一个P型半导体和一个N型半导体层组成。
P型半导体含有多个空穴（正电荷载体），而N型半导体含有多个自由电子（负电荷载体）。
当P型半导体与N型半导体相接触时，空穴和自由电子会发生扩散运动。
空穴会向N型区域扩散，而自由电子会向P型区域扩散。
当扩散过程发生时，空穴会与自由电子发生再结合，形成锁定的电荷。
这种电荷的结合过程会在PN结的接触处形成一个电势垒，阻止进一步的扩散。
电势垒产生的电场会阻止空穴和自由电子继续通过PN结。
当应用外部电压时，PN结的工作状态会发生变化。
如果外部电压为正极性，即正电压施加在P端，负电压施加在N端，电场会变得更强，进一步加深电势垒。
这会增加反向偏置电流的阻碍力，使得几乎没有电流通过PN结。
这种情况下，PN 结处于正向偏置状态。
相反，如果外部电压为负极性，即负电压施加在P端，正电压施加在N端，电场会减弱，进一步减小电势垒。
这会减小反向偏置电流的阻碍力，使得电流容易通过PN结。
这种情况下，PN结处于反向偏置状态。
总之，PN结通过在P型半导体和N型半导体之间形成电势垒
来控制电流的流动。
正向偏置状态下，电流被阻止，反向偏置状态下，电流容易通过。
这种原理使得PN结在半导体器件中有着广泛的应用，例如二极管、晶体管等。
pn结的导电原理
pn结的导电原理pn结是一种常见的半导体器件结构，其导电原理是通过p型半导体和n型半导体之间的结合形成的。
本文将从以下几个方面详细介绍pn结的导电原理。
1. pn结的结构和形成原理pn结是由p型半导体和n型半导体通过扩散、结合等工艺方法形成的。
在p型半导体中，多数载流子是空穴；在n型半导体中，多数载流子是电子。
当两种半导体材料结合形成pn结时，由于材料的不同，形成了空穴浓度较高的p区和电子浓度较高的n区。
在结区域，p区的空穴与n区的电子发生复合，形成了一个带电的耗尽层，这种结构使得pn结具有一些特殊的导电性质。
2. pn结的正向偏置导电原理当外加电压的正极连接在p区，负极连接在n区时，称为正向偏置。
此时，外加电压会使得p区的空穴向耗尽层移动，n区的电子向耗尽层移动，这样会减小耗尽层的宽度，进而减小耗尽层的电阻。
同时，p区的空穴与n区的电子会发生复合，形成电流。
这样，正向电流就能够通过pn结，这种导电状态称为正向导通。
3. pn结的反向偏置导电原理当外加电压的正极连接在n区，负极连接在p区时，称为反向偏置。
此时，由于电压的作用，n区的电子向正极移动，p区的空穴向负极移动，进一步增加耗尽层的宽度，增加耗尽层的电阻。
因此，在反向偏置下，pn结的导电性能非常差，只有极小的反向漏电流。
4. pn结的击穿现象和导电原理当反向偏置电压继续增大，超过了pn结的击穿电压时，就会发生击穿现象。
在击穿时，耗尽层中的电子和空穴会受到电场的加速，产生大量的电子空穴对，导致电流剧增。
这种情况下，pn结的导电性能会急剧提高，形成击穿电流。
5. pn结的温度对导电性能的影响温度对pn结的导电性能也有一定影响。
一般来说，温度升高会导致载流子的浓度增加，从而增加导电性能。
但是，在一定温度范围内，温度升高也会使得载流子的复合速率增加，导致导电性能下降。
因此，在实际应用中，需要根据具体的温度条件来选择合适的pn结器件。
pn结的导电原理是通过正向偏置和反向偏置下的载流子移动和复合，以及击穿现象来实现的。
pn结的工作原理
pn结的工作原理
PN结是由N型半导体和P型半导体材料形成的结构。
在PN
结中，P型区域的导电性主要由空穴贡献，N型区域的导电性
主要由自由电子贡献。
PN结的工作原理是基于PN结两侧的
载流子浓度差异所产生的漂移和扩散电流。
当PN结处于静止状态时，由于P型区域的空穴浓度高于N型区域的自由电子浓度，会形成一个电场从P端指向N端。
这
个电场被称为内建电场，它产生了一个电势垒，阻碍了载流子的自由移动。
当外加一个正向偏置电压时，即将P端连接到正极，将N端
连接到负极，外部电场将与内建电场方向相反，减小了电势垒的高度。
这样，载流子（空穴和自由电子）就能够突破电势垒，从P区域进入到N区域，形成P-N结的电流流动。
当外加一个反向偏置电压时，即将P端连接到负极，将N端
连接到正极，外部电场与内建电场方向相同，增加了电势垒的高度。
这使得电势垒变得更大，阻碍了载流子的移动。
在反向偏置情况下，只有极少数载流子能够越过电势垒，因此PN结
中几乎没有电流流过，称为反向饱和态。
总之，PN结的工作原理是基于内建电场所产生的电势垒，通
过改变外加电压的正负来控制电势垒的高度，从而控制载流子的运动和电流的流动。
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光电材料与半导体器件
5.5 PN结的温度特性
PN结特性对温度变化很敏感，反映在伏安特性上即为：温度
升高，正向特性左移，反向特性下移。
i T
具体变化规律是：
•温度每升高 10℃，反向饱
－UBR 0 T u
和电流IS增大一倍。
•温度升高反向击穿电压降低
光电材料与半导体器件
当温度升高到一定程度时，由本征激发产生的 少子浓度有可能超过掺杂多子浓度，使杂质半导体 变得与本征半导体一样，这时PN结就不存在了。 因此，为了保证PN结正常工作，它的最高工作 温度有一个限制，对硅材料约为(150~200)℃，对锗 材料约为(75~100)℃。
光电材料与半导体器件
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（二）齐纳击穿
在重掺杂的PN结中，耗尽区相对很窄，所以不大 的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当 反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内 中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电 子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称 为齐纳击穿或场致击穿。 一般来说，对硅材料的 PN 结， UBR>7V 时为雪崩 击穿； UBR <4V时为齐纳击穿； UBR介于4~7V时， 两种击穿都有。
N
P
N＋
(a)
(b )
如果P区和N区一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂 浓度小(轻掺杂)，则称为不对称结，用P+N或PN+表 示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂 区一边.
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5.2 PN结的单向导电特性
PN结的单向导电性只有在外 加电压时才会表现出来
光电材料与半导体器件
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(2) 扩散电容CD
扩散电容是PN结在正偏时, 多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而 产生的。
PN结正向偏置时，N区和P区形 成一定的非平衡载流子的浓度分 布。P区积累了电子，即存贮了 一定数量的负电荷；N区也积累 了空穴，即存贮了一定数即正电 荷。正向电压加大时，扩散增强， 致使在两个区域内形成了电荷堆 积，相当于电容器的充电；相反， 当正向电压减小时，扩散减弱， 造成两个区域内电荷的减少，这 相当于电容器放电。
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综上所述：PN结加正向电压时，呈现低 电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反 向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂 移电流。 即PN结具有单向导电特性。
关键在于耗尽层的存在
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PN结的伏安特性
I
伏安特性方程
ID U U BR B
O U
I D I S (e
UD UT
1)
加正向电压时，UD只要大 于UT几倍以上，I D I S eU D /UT 加反向电压时，|UD|只要大于 UT几倍以上，则 ID≈–IS
PN结U-I特性曲线
UT热电势。室温下即T=300K时,UT=26mV
光电材料与半导体器件
5.3 PN结的击穿特性
当反向电压超过UBR后稍有增加时，反
PN结
光电材料与半导体器件
本章内容
5.1 PN结的形成 5.2 PN结的单向导电性 5.3 PN结的击穿特性 5.4 PN结的电容效应 5.5 PN结的温度特性
光电材料与半导体器件
P型半导体和N型半导体相结合——PN结 PN结是构造半导体器件的基本单元。其 中，最简单的晶体二极管就是由PN结构 成的。
光电材料与半导体器件
发生击穿并不一定意味着PN结被损坏。 当PN结反向击穿时, 只要注意控制反向电 流的数值(一般通过串接电阻Ｒ实现), 不使 其过大, 以免因过热而烧坏PN结, 当反向电 压(绝对值)降低时, PN结的性能就可以恢复 正常。 稳压二极管正是利用了PN结的反向击穿特 性来实现稳压的, 当流过PN结的电流变化 时, 结电压基本保持不变。
光电材料与半导体器件
5.4 PN结的电容特性
Q dQ 或C 按电容的定义 C U dU
即电压变化将引起电荷变化, 从而反映出电容 效应。而ＰＮ结两端加上电压, ＰＮ结内就有 电荷的变化, 说明ＰＮ结具有电容效应。
PN结的电容效应势垒电容CB和扩散电容CD 两部分组成。
光电材料与半导体器件
（二）、PN结加反向电压
将电源的正极接Ｎ区, 负极接Ｐ区——PN结加反 向电压或反向偏置(简称反偏) 耗尽区 PN 结 处 于 截 止 状 态 , 呈现出一个很大的电阻 (高达几百千欧以上)。
－ 内电场
外电场 U
＋ UB＋U
漂移电流大于扩散电 流，可忽略扩散电流
在一定的温度条件下， 由本征激发决定的少 E R 子浓度是一定的 故少子形成 的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向 电压的大小无关，这个电流也称为 反向饱和电流IS。
光电材料与半导体器件
杂质半导体 N型半导体（N为Negative的字头，由于电子带负电而得此 名）：掺入少量杂质磷元素（或锑元素）的硅晶体（或锗晶 体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，磷 原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形 成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为 自由电子。于是，N型半导体就成为了含电子浓度较高的半 导体，其导电性主要是因为自由电子导电。[1] P型半导体（P为Positive的字头，由于空穴带正电而得此 名）：掺入少量杂质硼元素（或铟元素）的硅晶体（或锗晶 体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，硼 原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的 时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来 “填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导 体由于含有较高浓度的“空穴”（“相当于”正电荷），成 为能够导电的物质。
（一）、PN结加正向电压 Ｐ－正, Ｎ－负。正向电压或正向偏置(简称正偏)
耗尽区
扩散运动大于漂移运动
多数载流子形成的扩 散电流起支配作用
正 向 电 流 IF
＋
外电场
内电场 U UB－U
－
少数载流子形成的漂 移电流方向相反，很 小，可忽略。
E
R
光电材料与半导体器件
PN结处于导通状态, 表现为一个很小的电阻
(1) 势垒电容CB
势垒电容是由耗尽区的空间电荷区引起的。
当外加反向电压增大时，耗尽层变宽，空间电荷量增加，犹如电容 的充电。 当外加反向电压降低时，耗尽层变窄，空间电荷量减小，犹如电容 的放电。
W&压的变化而改变。 这一特性正是电 容效应，并称为 势垒电容，用CB 表示。
5.1 PN结的形成
P N P
耗尽层 势垒区
空间电荷区 N
(a )
内电场 UB (b )
扩散运动：空间电荷区展宽 漂移运动：空间电荷区变窄
电 位 U 电 子 势 能
多子的扩散和少子漂移运动 达到动态平衡。 P区和N区的掺杂浓度相同对称结
qUB
光电材料与半导体器件
不对称PN结
耗尽区 耗尽区
P＋
P N
光电材料与半导体器件
在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, 分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半 导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
光电材料与半导体器件
光电材料与半导体器件
势垒电容随外加反向电压增大而增大； 扩散电容随正向电压增大而增大。
势垒电容和扩散电容都是非线性的电容
光电材料与半导体器件
PN结上的总电容Cj——结电容，是势垒电容与扩 散电容之和。
即Cj＝ＣB＋ＣＤ
一般说来, PN结正偏时, 扩散电容起主要作用, Ｃｊ ≈ＣＤ；当PN结反偏时, 势垒电容起主要作用, 即Ｃ
向电流会急剧增大，这种现象称为 PN 结击穿，并定义 UBR 为 PN 结的反向击 穿电压。 电击穿 热击穿 PN 结 发 生 电 击 穿 的 机 理 可 以 分 为 两 种——雪崩击穿和齐纳击穿
光电材料与半导体器件
（一）雪崩击穿
在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗 尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速， 动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗 尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性 原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产 生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强 电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对。 如此链锁反应, 使反向电流迅速增大。这种击 穿称为雪崩击穿。