PN结的单向导电性及其分析
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
电工电子技术基础知识点详解2-1-PN结及其单向导电性
PN结及其导电性1. PN结的形成将P型半导体与N型半导体通过物理、化学的方法有机的结合为一体，就会在两种半导体的交界面形成一个PN结。
由于交界处两边的电子和空穴的浓度不同（N型区自由电子多，P型区空穴多），因此N型区内的电子要向P型区扩散，P型区内的空穴也要向N型区扩散，使交界面P型区一侧出现带负电的离子，而N型区一侧出现带正电的离子，因而在交界面两侧形成一个空间电荷区，如图1所示。
图1 PN结的形成形成空间电荷区之后，半导体内部将出现内电场，其方向从N区指向P区。
内电场将阻碍N区的多数载流子（自由电子）和P区的多数载流子（空穴）继续向对方扩散，同时又促进N区的少数载流子（空穴）和P区的少数载流子（自由电子）向对方漂移。
在一定条件下，当多数载流子的扩散运动与少数载流子的漂移运动达到动态平衡叶，PN结则处于相对稳定状态。
2. PN结加正向电压如果在PN结两端加正向电压（P区接电源正端，N区接电源负端），由图2(a)可见，外电场与内电场方向相反，内电场被削弱，使多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（又称正向电流I）。
在一定范围内，外电场愈强，正向电流愈大。
这时PN结的正向电阻很低。
图2 (a) PN结加正向电压图2 (b) PN结加反向电压由于PN结空间电荷区形成的电位差较小，只有零点几伏，如果外加电压过大，将会产生很大的正向电流，使PN结损坏。
因此，一般都在电路中接入限流电阻R。
3. PN结加反向电压若给PN结加反向电压（P区接电源负端、N区接电源正端），由图2(b)可见，外电场与内电场方向一致，外电场加强内电场，使多数载流子的扩散运动难以进行。
但是，在外电场的作用下，P区的少数载流子（自由电子）和N区的少数载流子（空穴）将产生漂移运动，形成很小的反向电流I，即PN结的反向电阻很高。
由于少数载流子的数目与环境温度密切相关，因此温度对反向电流的影响很大。
4. PN结的单向导电性综上所述：PN结具有单向导电性能，即PN结加正向电压时，PN结正向电阻很低，正向电流较大，PN结处于导通状态；当PN结加反向电压时，PN结反向电阻很高，反向电流很小，PN结处于载止状态。
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
PN结
二、 PN结的单向导电特性 结的单向导电特性
PN结的单向导电性只有在外 结的单向导电性只有在外 加电压时才会表现出来
（一）、PN结加正向电压 ）、 结加正向电压 Ｐ－正 Ｎ－负 正向电压或正向偏置(简称正偏) 简称正偏 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
ｊ≈ＣB。
五、PN结的温度特性 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 结特性对温度变化很敏感， 结特性对温度变化很敏感 为：温度升高，正向特性左移，反向特性下移。 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： 具体变化规律是： •温度每升高 ℃ ， 反向饱 温度每升高10℃ 温度每升高
－UBR 0 T u
和电流I 增大一倍。 和电流 S增大一倍。 •温度升高反向击穿电压降低 温度升高反向击穿电压降低
当温度升高到一定程度时， 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， 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 结就不存在了。 变得与本征半导体一样，这时 结就不存在了。 因此，为了保证PN结正常工作，它的最高工作 结正常工作， 因此，为了保证 结正常工作 温度有一个限制，对硅材料约为(150~200)℃，对锗 温度有一个限制，对硅材料约为 ℃ 材料约为(75~100)℃。 材料约为 ℃
关键在于耗尽层的存在
PN结的伏安特性 结的伏安特性
I
伏安特性方程
ID UBR UB
O U
I D = I S (e
UD UT
− 1)
加正向电压时， 加正向电压时，UD只要大 几倍以上， 于UT几倍以上，I D ≈ I S eU D / U T 加反向电压时， 加反向电压时，|UD|只要大于 只要大于 UT几倍以上，则 ID≈–IS 几倍以上，
pn结单向导电性
pn 结单向导电性
单向导电性
PN 结加正向电压时，可以有较大的正向扩散电流，即呈现低电阻，我们称PN 结导通；PN 结加反向电压时，只有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，我们称PN 结截止。
这就是PN 结的单向导电性。
PN 结的单向导电性
PN 结具有单向导电性，若外加电压使电流从P 区流到N 区，PN 结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。
如果外加电压使：PN 结P 区的电位高于N 区的电位称为加正向电压，简称正偏；PN 结P 区的电位低于N 区的电位称为加反向电压，简称反偏。
（1）PN 结加正向电压时的导电情况。
PN结简介
PN结PN结（PN junction）。
采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。
PN结具有单向导电性。
P是positive的缩写，N是negative 的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。
一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。
PN结有同质结和异质结两种。
用同一种半导体材料制成的 PN 结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。
PN结（PN junction）制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。
制造异质结通常采用外延生长法。
P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。
在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。
在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。
N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。
当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。
空穴和电子相遇而复合，载流子消失。
因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。
P 型半导体一边的空间电荷是负离子，N 型半导体一边的空间电荷是正离子。
正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。
在PN结上外加一电压，如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。
如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。
pn结的单向导电性原理
pn结的单向导电性原理
pn结是半导体器件中最基本的结构之一，它具有很重要的单向导电性原理。
pn 结由p型半导体和n型半导体组成，两者之间形成一个结，其中p型半导体中的载流子主要是空穴，n型半导体中的载流子主要是电子。
当p型半导体和n型半导体通过扩散结合形成pn结时，由于杂质浓度的不均匀分布，形成了内建电场，从而产生了单向导电性。
在正向偏置情况下，即p端连接正电压，n端连接负电压，此时内建电场会被外加电场所抵消，电子和空穴会向结区域扩散，导致电流的流动。
而在反向偏置情况下，即p端连接负电压，n端连接正电压，内建电场会被外加电场所增强，阻止了电子和空穴的扩散，因此几乎没有电流流动。
这种单向导电性原理使得pn结能够作为二极管等器件的基础。
当二极管处于正向偏置状态时，电流可以流通，起到导通的作用；而在反向偏置状态下，电流几乎无法流通，起到截止的作用。
这种性质使得二极管可以实现信号的整流、开关等功能，被广泛应用在电子电路中。
除了二极管，pn结还可以应用在其他器件中，比如场效应管、光电二极管、太阳能电池等。
在场效应管中，pn结的单向导电性使得可以通过控制栅极电压来控制漏极电流，实现放大和开关功能；在光电二极管中，当光线照射到pn结上时，产生光生电子和空穴，从而产生电流，实现光信号的转换；在太阳能电池中，光照射到pn结上会产生电荷对，从而产生电流，实现光能的转换。
总的来说，pn结的单向导电性原理是半导体器件中非常重要的基础原理，它的特性使得许多器件可以实现各种功能，从而在电子、光电等领域有着广泛的应用。
通过对pn结的深入理解，可以更好地设计和应用各种半导体器件，推动科技的发展和应用。
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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。
当外加正向偏压时，电源E提供大量的空穴和电子，E的电场方向与Upn的电场方向相反，空间电荷区被两种载流子复合而消弱变窄，载流子容易通过扩散加强，呈现低阻状态。
当外加反向偏压时，它的电场方向与Upn的电场方向一致，空间电荷区被增厚变宽，载流子不易通过扩散减弱，呈现高阻状态。
此时仅有两侧的少子，也就是N区的空穴和P区的电子在Upn电场力作用下做漂移运动，形成较小的反向饱和电流IS，直至击穿为止，其电流按二极管方程规律变化，这就是PN结的单向导电性原理。
在“空间电荷区”的概念里认为空穴和电子是可以自由移动的， PN结两侧的正负离子是不能移动的，“空间电荷区”的厚度决定了通过PN结电流的大小。
但如果把“空间电荷区”看作是一个“微小的间隙”，即把它等效为一个接触电阻，可能就更容易理解，更能反映PN结的单向导电性实质了。
我们知道当电源E一定时，电流I的大小主要取决于导线电阻中能够参与导电的载流子的多少，而在整个回路中PN结相对于其它导体原件能够参与导电的载流子最少，也就像一道闸门，它的微小间距也就是它的接触电阻决定了回路主要电流的大小。
当PN结间隙小时接触紧密，接触电阻小；当PN结间隙大时接触不紧密，接触电阻大，因此PN结边界处的接触电阻是PN结导电的关键。
那么，PN结边界处的接触电阻又与谁有关呢？我们知道由于掺杂的原因，P区产生的空穴与N区产生的电子一定会相互吸引，它们必然向PN结边界聚集，形成如图4所示的接触电动势Epn。
当没有外加电压时，载流子要想通过PN结，就必须获得足够的能量，因此只有少部分高能的载流子才能够穿过PN结与之复合，不能复合的空穴和电子就形成了一个由P区指向N区的接触电动势，其实质就是一个具有电源性质的接触电动势Epn，它与Upn方向相反。
接触电动势Epn的存在是载流子扩散运动的结果。
当外加正向电压时，电源E与接触电动势Epn方向相同，相互叠加。
电源正极发出的正电荷与N区的自由电子相互吸引，电源负极发出的负电荷与P区的空穴相互吸引，PN结之间接触更加紧密，它们之间的“微小的间隙”变窄，从而接触电阻减小，PN结对外呈现低阻性。
当外加反向电压时，电源E与接触电动势Epn方向相反，相互抵消。
电源负极发出的负电荷与N区的电子相互排斥，电源正极发出的正电荷与P区的空穴相互排斥，PN结之间接触不再紧密，它们之间的“微小的间隙”变宽了，从而接触电阻增大，PN结对外呈现高阻性。
实际上，PN结由于各种材料的不同，它们的正反向电特性也即接触电阻就会不完全对称，这种材料的不对称就造成了PN结正反向电阻值的差异，它会在一定的电压范围内呈现出较为明显的不对称性，也就是PN结的“单向导电性”。
3 总结
以上就是我对PN结单向导电性内部导电的原理分析，但对于“空间电荷区”的概念也有许多不同的理解，尽管关于PN结的那些推倒式也是基于导体内粒子的数学模型建立起来的，但对于那些令人匪夷所思的推倒式还是仁者见仁，智者见智。
有人不认同“空穴”的存在，认为它
是虚无缥缈的东西，是人为制造的名词。
有人认为既然只有半导体含有“电子空穴对”、导体只有自由电子，那金属导线怎么传输空穴呢？只在半导体内部激发再复合吗？还是……等等。
尽管更多的人认为半导体中空穴不能移动，只是电子在导电，但这并不能否定空穴的存在，从物理学角度出发，电子应该与空穴是同时存在的，只是空穴就是一个空位，不能移动而已。
因此，如果把空间电荷区看作是一个“微小的间隙”，引入一个接触电阻或接触电动势的概念就能很好的解释半导体PN结的单向导电性了。
以上就是我对PN结的单向导电性原理的分析与理解，由于水平有限，难免有认识上的错误，请同志们提出宝贵意见，共同探讨。
参考文献
[1]张肃文主编.低频电子线路[M].北京：高等教育出版社，2012.
[2]清华大学电子工程、工业自动化系编.晶体管电路[M].北京：高等教育出版社，2013.
[3]谢嘉奎，宣月清，谢洪臐编.电子线路-线性部分[M].北京：高等教育出版社，2009.
作者单位
国家新闻出版广电总局五六四台北京市 100044。