PN结及其单向导电性
PN结及其单向导电性
本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现
两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流
自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。
在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡， 半导体中载流子便维持一定的数目。 注意：
－－－ － －－ －－－ － －－ －－－－ － －
+++ +++ +++
+++ +++ +++
P
IR
内电场 外电场
–+
N
动画
内电场被加 强，少子的漂 移加强，由于 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小， 反向电阻较大，PN结处于截止状态。
温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。
PN结及其单向导电性
2. PN 结加反向电压（反向偏置）P接负、N接正
－－－ － －－ + + + + + +
动画
－－－ － －－ + + + + + +
－－－ － －－ + + + + + +
P
内电场 外电场
N
–+
PN结及其单向导电性
2. PN 结加反向电压（反向偏置）P接负、N接正
PN 结变宽
1. 1 PN结及其单向导电性
1.半导体的导电特性： 热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强
半导体的基础知识与PN结
空穴浓度多于自由电子浓度 空穴为多数载流子(简称多子）， 电子为少数载流子(简称少子)。
+3
(本征半导体掺入 3 价元素后，原来 晶体中的某些硅原子将被杂质原子 代替。杂质原子最外层有 3 个价电 子，3与硅构成共价键，多余一个空 穴。)
6．在PN结的两端通过一块电流表短接，回路中无其它电源
，当用光照射该半导体时，电流表的读数是____C___。
A．增大 B．减小 C．为零 D．视光照强度而定
7．P型半导体中的多数载流子是__B_____。
A．电子 B．空穴 C．电荷 D．电流
8．N型半导体中的多数载流子是____A___。
A．自由电子 B．空穴 C．电荷 D．电流
B．P型半导体中只有空穴导电 C．N型半导体中只有自由电子参与导电 D．在半导体中有自由电子、空穴、离子参与导电
12．N型半导体中，主要靠__C_____导电，_______是少数载
流子。
A．空穴／空穴
B．空穴／自由电子
C．自由电子／空穴 D．自由电子／自由电子
13．P型半导体中，主要靠___B____导电，_______是少数载
+4
+4
+4
图 1.1.1 本征半导体结构示意图
3、本征半导体中的两种载流子
若 T ，将有少数价
T
电子克服共价键的束缚成
为自由电子，在原来的共 +4
+4
价键中留下一个空位—— 空穴。
自由电子和空穴使本
空穴
+4
+4
征半导体具有导电能力，
第五章-PN-结
（a）平衡p-n结势垒区； （b）正偏时，势垒区变窄； （c）正偏时，p-n结载流子变化
PN结电容的计算
突变结势垒电容公式
①突变结的势垒电容和结的面积以及轻掺杂一边的杂质浓度的平方根成正比，因此减小结面积以及降低轻掺杂一边的杂质浓度是减小结电容的途径； ②突变结势垒电容和电压（VＤ—V）的平方根成反比，反向偏压越大，则势垒电容越小，若外加电压随时间变化，则势垒电容也随时间而变，可利用这一特性制作变容器件。以上结论在半导体器件的设计和生产中有重要的实际意义。
图5－14反向偏压下p－n结的费米能级（非常重要）
8·理想p-n结模型及其电流电压方程
符合以下假设条件的p-n结称为理想p-n结模型： （1）小注入条件 即注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多； （2）突变耗尽层条件即外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。因此，注入的少数载流子在p区和n区是纯扩散运动； （3）通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用； （4）玻耳兹曼边界条件即在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布。
外电场与自建场方向相反，外电场减弱PN结区的电场，使原有的载流子平衡受到破坏
—— 非平衡载流子 —— PN结的正向注入
电子扩散电流密度
—— 外加电场使边界处电子的浓度提高 倍
和
比较得到
正向注入，P区边界电子的浓度变为
边界处非平衡载流子浓度
—— 正向注入的电子在P区边界积累，同时向P区扩散 —— 非平衡载流子边扩散、边复合形成电子电流
(3)．热电击穿
当p-n结上施加反向电压时，流过p-n结的反向电流要引起热损耗。反向电压逐渐增大时，对应于一定的反向电流所损耗的功率也增大，这将产生大量热能。如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去，则将引起结温上升。 反向饱和电流密度随温度按指数规律上升，其上升速度很快，因此，随着结温的上升，反向饱和电流密度也迅速上升，产生的热能也迅速增大，进而又导致结温上升，反向饱和电流密度增大。如此反复循环下去，最后使Js无限增长而发生击穿。这种由于热不稳定性引起的击穿，称为热电击穿。对于禁带宽度比较小的半导体如锗p-n结，由于反向饱和电流密度较大，在室温下这种击穿很重要。
P N 结介绍
漂移
(2).位垒高度↑ 漂移运动（少子） (2).位垒高度↑ →漂移运动（少子） ↑ →漂 位垒高度 移电流↑ 移电流↑ (3).反向电流决定于漂移电流此时PN结截止 反向电流决定于漂移电流此时PN结截止。 (3).反向电流决定于漂移电流此时PN结截止。 漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流， 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， 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少 子浓度是一定的。 子浓度是一定的。 所以少子形成的漂移电流是恒定的， 所以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， 与所加反向电压的大小无关，这个电流也称 反向饱和电流IS IS。 为 反向饱和电流IS。 PN结加反向电压时 呈现高电阻， 结加反向电压时， PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很 小的反向漂移电流。 PN结具有单向导电 小的反向漂移电流。 即PN结具有单向导电 特性。 特性。
一、PN结的形成 PN结的形成
P + + + N + + + + + + PN结的接触电位： PN结的接触电位： 结的接触电位 (1).内电场的建立 内电场的建立， PN结中产生电位差 结中产生电位差。 (1).内电场的建立，使PN结中产生电位差。 从而形成接触电位V 又称为位垒) 从而形成接触电位Vϕ(又称为位垒)。 动态平衡时：扩散电流=漂移电流。 (2). 动态平衡时：扩散电流=漂移电流。 PN结内总电流=0。 PN结的宽度一定 结内总电流=0 PN结内总电流=0。 PN结的宽度一定 。 (3).PN结根据耗尽层的宽度分为对称结与 (3).PN结根据耗尽层的宽度分为对称结与 不对称结： 不对称结： 相等） 相等（杂质深度相等） 不对称结— 不对称结—杂质浓度高的侧耗尽层小于杂 质深度低的一侧，这样的PN PN结称为不对 质深度低的一侧，这样的PN结称为不对 称结
PN结的单向导电性及其分析
PN结的单向导电性及其分析作者：高俊杰来源：《电子技术与软件工程》2017年第12期摘要本文意在从本质上揭示PN结的导电机理，换种思路理解PN结的单向导电性。
找出规律在于化繁为简，本文若被认可也许能够建立起一种更为简单的PN结模型。
【关键词】微小的间隙接触电阻接触电动势单向导电1 前言提起PN结，大家都知道它具有正向导通、反向截止的特性，但PN结为何具有单向导电性呢？这个问题就复杂了，现在比较流行的是引入一个“空间电荷区”的概念来解释的，这就需要从PN结的构造说起。
2 PN结的单向导电性半导体具有掺杂性，P型和N型半导体就是利用在本征半导体也就是纯净的半导体中掺入不同价位的杂质元素而形成的。
P型也叫空穴型半导体，它是在硅、锗等4价元素中掺入3价的硼、铝等受主杂质，在其共价键结构中缺少1个电子而形成空穴（见图1）。
N型半导体则在硅、锗等4价元素中掺入5价的施主杂质磷、锑等，这时就会在共价键中多出一个电子而形成自由电子（见图2），因此半导体就具有了两种载流子——电子和空穴对。
在P型半导体中空穴是多子、电子是少子；N型半导体则相反，电子是多子、空穴是少子。
如果通过光刻和杂质扩散等方法就能将一块半导体分成P型半导体和N型半导体两部分，它们之间就是一个PN结。
它是构成半导体器件的基础，其实一个二极管就是一个PN 结。
那么PN结是怎么具有单向导电性的呢？通常的说法是在不加外电压时，这个PN结中P区的多子是空穴，N区的多子是电子（通常只考虑多子），因为浓度差，载流子必然向浓度低的方向扩散。
在扩散前，P区与N区的正负电荷是相等的，呈电中性。
当P区空穴向N区移动时，就在PN结边界处留下了不能移动的负离子，用带蓝圈的负电荷表示；当N区自由电子向P区移动时，就在PN结边界处留下了不能移动的正离子，用带红圈的正电荷表示，这样就在空间电荷区内产生了一个内建电场Upn，电场的方向是由N区指向P区的。
在扩散作用下随着Upn增大，载流子受到电场力Upn 的作用而做漂移运动，它的方向与扩散运动相反，最终使载流子扩散与漂移达到动态平衡，形成了空间电荷区，如图3所示。
PN结及其单向导电性
22
PN结正向偏置
+ P
变薄
－+ －+ －+ －+
多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度； 少数载流子（少子）：电子。取决于温度。
+4
+4
空穴
硼原子
+3
+4
11
归纳
◆
1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多 数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。
◆
2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂 浓度，少数载流子的数量取决于温度。
◆ 3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。
往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力
明显改变。
2
1. 本征半导体
纯净的半导体。如：硅和锗
本征半导体的导电机理
1）.最外层四个价电子。
2）共价键结构
Ge
Si
+4
+4
+4
+4
+4表示除去价电子后的原子
共价键共用电子对
3
形成共价键后，每个原子的最外层电 子是八个，构成稳定结构。
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价 键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难 脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体 中的自由电子很少，所以本征半导体的导电 能力很弱。
4
3）在绝对0度和没有 外界激发时,价电子完全 被共价键束缚着，本征 半导体中没有可以运动 的带电粒子（即载流 子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。
PN结的特性(8)
扩散运动>漂移运动
扩散电流占主导： 形成正向电流IF
正向电流IF随VF增加 很快，PN结表现为一 个很小的电阻(R小)
电位 V
VF VO-VF VO
PN结的特性
1. PN结的单向导电性——外加反向电压 (反偏)
多子扩散困难，
21 P
VR 12
N
扩散电流≈0
IR
少子漂移占主导 形成反向电流IR
反向电流IR很小，
PN结的特性
反向饱和电流
2. PN结的(10V-8-~I1特0-1性4A)
PN结的V-I 特性表达式:
反向饱和电流
iD IS (evD VT 1)
VT ——温度的电压当量
VT
kT q
波耳兹曼常数 1.38*10-23J/K
T=300k时，VT＝26mV
死区电压 （门坎电压）
正偏: v D
VT，iD
模拟电子技术
知识点：PN结的特性
1. PN结的单向导电性 2. PN结的V-I特性 3. PN结的反向击穿
PN结的特性
1. PN结的单向导电性
• 没有偏置
• 正偏
• 反偏
PN结的3种工作模式
PN结的特性
1. PN结的单向导电性——外加正向电压 (正偏)
PN结的平衡状态被打破
IF
12
P
VF 21
N 内电场ε0 外电场εF
➢ 2种：雪崩击穿和齐纳击穿
知识点：PN结的特性
1. PN结的单向导电性 2. PN结的V-I特性 3. PN结的反向击穿
R很大！
内电场ε0 外电场εR
IR的大小取决于温度！ 而与外加反压几乎无关！
电位 V
创客教育中的电子基础(2)——PN结及单向导电性
创客教育中的电子基础（2）
——PN结及单身导电性
要掌握晶体管器件及其特性，我们需要了解P型半导体、N型半导体和PN结。
P型半导体：在纯净的硅（或锗）晶体中掺入三
价元素(如硼、铝)形成的,其空穴的浓度大于自由电子的浓度。
N型半导体：在纯净的硅（或锗）晶体中
掺入五价元素(如磷、镓)形成的,其自由电子的
浓度大于空穴的浓度。
PN结：将P型半导体和N型半导体“压”
在一起时，在它们的交界面上会自由电子和空穴因浓度不同产生扩散运动，随着扩散运动进行的同时
产生了结电场（或称内建电场），
在结电场的作用下载流子进行
了漂移运动，当载流子的扩散与
漂移运动达到平衡时，就形成了一个相对稳定的PN结。
PN结具有单向导电性(如下图)。
当P区电位高于N区电位（正向偏置），在外电场的作用下，P区的空穴向N区移动，N区的电子向P区移动，当外电场抵消了内建电场作用后，就会开始有载流子从P区流向N区，形成了PN结正向导电；反之，当P区电位小于N区
电位（反向偏置），在外电场和内建电场同向叠加的作用下，P区的空穴偏离PN结向压向P区，同样N区的电子偏离PN结压向N区，
结处于截止状态。
PN结中无载流子通过，PN
2020年4月2日（鹤鸣）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
PN结及其单向导电性电工技术与电子技术电工技术与电子技术
第 14 章半导体器件
主讲教师：张晓春
PN结及其单向导电性主讲教师：张晓春
PN结及其单向导电性主要内容：
PN结的形成；
PN结的单向导电性。
重点难点：
PN结的单向导电性。
1. PN 结的形成
多子的扩散运动 内电场 少子的漂移运动 浓度差 P 型半导体 N 型半导体
空间电荷区也称 PN 结 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到
动态平衡，空间电荷
区的厚度固定不变。
－ － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + － － － － － － － － 形成空间电荷区 扩散的结果使
空间电荷区变宽。
内电场越强，漂移
运动越强，而漂移
使空间电荷区变薄。
2. PN 结的单向导电性
(1) PN 结加正向电压 (正向偏置) P 接正、N 接负
内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。
PN 结加正向电压时，PN 结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN 结处于导通状态。
PN 结变窄
外电场 I F 内电场 P N
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + +
+
+ + –
PN 结变宽
(2) PN 结加反向电压 (反向偏置) 外电场 内电场被加强，少子的漂移加强，
由于少子数量很
少，形成很小的
反向电流。
I R P 接负、N 接正
温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。
– + PN 结加反向电压时，PN 结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN 结处于截止状态。
内电场 P N
+ + + － － － － － － + + + +
+ + + + + － － － － － － － － － + + + + + + － － －
小结
1. PN 结的形成
浓度差多子的扩散运动空间电荷区变宽
内电场少子的漂移运动空间电荷区变窄
2. PN结的单向导电性
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。