PN结

PN 结

PN 结的重要参数：耗尽区宽度、耗尽区电容、击穿电压。

耗尽区宽度

VD 为正偏电压

P 型半导体：多子为空穴，少子为电子；掺杂浓度为NA 。 N 型半导体：多子为电子，少子为空穴；掺杂浓度为ND 。

耗尽区形成：载流子的扩散（多子扩散 --> 留下的固定电荷形成电场 --> 载流子

的反向运动（少子漂移） --> 漂移与扩散平衡，形成耗尽区。

内建电势（势垒）：）（2i D

A 0n N N ln q kT =φ q

kT 为Vt 室温下为25.9mV

耗尽区深入P 型半导体中的宽度：2

/1D A A D

D 0Si p N N qN N V -2-x ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣⎡+=）（）（φε 其中Si

ε为硅的

介电常数（1.38 X 23

10

- J/K ），q 为电子电荷量（1.60 X 19

10-C ）

耗尽区深入N 型半导体中的宽度：2

/1D A D A

D 0Si n N N qN N V -2-x ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣⎡+=）（）（φε 耗尽区主要向轻

掺杂半导体一侧扩展，即NA （ND ）越大，Xp （Xn ）越小。

耗尽区宽度：2/102

/1)()(2D D A D A Si d V N qN N N x -⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡+=φε 耗尽区宽度与势垒和外加电压

之差的平方根呈正比；且掺杂浓度越小，耗尽区宽度越大。

耗尽区中带电电荷（其中P 型半导体中耗尽区带负电，N 型半导体中耗尽区带正电）：

||p

A

j

x AqN Q = 其中A 为pn 结横截面积。

耗尽区电容

Pn 结耗尽区形成的电容称作耗尽区电容：()(

)

2

/102

/11

2D

D A D

A Si

j V N N N

qN A C -⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡+=φε

根据上式，当VD 趋近于0

φ时，j

C 将趋近于无穷大，但是此时流过二极管的电流

已经比较大，因此上式不再成立，实际趋势如下图所示。

Φ0/2

Φ0

VD

C j

实际的情况

上图所示为j

C 与外加偏置电压V

D 的关系，其中实线为理想情况，虚线为实际情

况。

随着VD 增大（VD<0

φ），耗尽区宽度减小，这样可以解释电容增大。

击穿电压

Pn 结的电场强度：2/102

/10)()(2D D A

Si D

A V N N N qN E -⎥⎥⎦⎤

⎢⎢⎣⎡+=φε

Pn 结的击穿电压是由耗尽区所能承受的最大电场Emax 决定，根据上式可得

2

max

2)

(E N qN N N BV D

A D A Si +≅

ε 。对硅来说最大电场近似为3X 510 V/cm ，也就是说一般pn 结的击穿电压取决于其掺杂浓度，掺杂浓度越高，击穿电压越小。

雪崩击穿：任何反偏pn 结由于耗尽区附近存在着少数载流子，在电场的作用下他

们穿越耗尽区，形成结的漏电流。如果增大结的反偏电压，场强增大，则载流子在电场中移动所获得的能量增大。当电场增大到Emax 时，载流子将获得足够的能量，得以在与硅原子的碰撞中产生新的空穴-电子对。这就是雪崩过程。由于新产生的载流子又会引起雪崩，所以雪崩过程将导致反偏漏电流突然增大。

齐纳击穿：在重掺杂时，即使很小的反偏电压也可在耗尽区形成很强的电场，从而

可以直接从价键中夺走电子，这个过程称为隧道效应。只有在重掺杂的结中才会出现齐纳击穿。

Pn 结实际反向电流：R n R

R RA i BV v Mi i

))

/(11

(-== 其中R v 是pn 结上的反偏电压；M 是雪崩倍增因子；n 是一个指数，典型值在3~6之间；R

i 为pn 结反向电流。