半导体PN结的形成
简述pn结的原理
简述pn结的原理PN结是半导体器件中最基本的结构之一，由P型和N型半导体材料的结合构成。
它是半导体器件中广泛应用的基础，例如二极管、MOSFET、BJT等。
PN结的原理基于P型和N型半导体材料中的掺杂。
在P型半导体中，杂质原子掺入了少量的三价元素，如硼（B）。
这些元素的原子核位于材料晶格中心，但外层电子数为三个，其中一个电子不和晶格原子绑定。
这个自由电子会产生电导性，并成为N型材料的基础。
另一方面，在N型材料中，杂质原子掺入了少量的五价元素，如磷（P）。
这些元素具有五个外层电子，其中四个与晶格原子形成共价键，而多出的一个电子不形成共价键，形成内在的价带，使得该区域易于导电，并构成P型材料的基础。
当P型和N型材料以合适的方式接触时，就形成了PN结。
当P型区域的原子与N型区域的原子接触时，它们之间的电子会发生扩散。
在P型区域，自由电子向N型区域扩散，填补了N型区域的电子空位。
同时，P型区域的空穴也会向N型区域扩散，填补N型区域的空穴空位。
这个扩散过程会导致P型区域中形成一个带正电的区域和N型区域中形成一个带负电的区域，形成了空间电荷区。
在PN结中的空间电荷区中，多数载流子（自由电子和空穴）被吸引和结合，几乎没有运动，形成被禁区，没有任何电荷运动。
因此，PN结呈现出无电流的状态，称为"截止"状态。
当为PN结施加正向偏压时，也就是将P型端电压高于N型端，空间电荷区会变窄，多数载流子会继续扩散和移动，形成电流。
当施加的正向电压达到一定值时，空间电荷区会突破，电流会急剧增加。
此时，PN结处于导通状态，电流可以顺着正向施加电压的方向流动，形成二极管的正向电流。
相反，当为PN结施加反向偏压时，也就是将N型端电压高于P型端，空间电荷区会变宽，导致电子和空穴的扩散减少，形成微小的电流流动，称为反向饱和电流。
反向电流随着反向电压增加而迅速增加。
当反向电压增加到达一定值时，PN结会出现击穿现象，电流急剧增加，称为击穿电流。
半导体PN结的形成
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2.1.4 PN结
一、PN结的形成 二、PN结的接触电位差 三、PN结的伏安特性 四、PN结的反向击穿特性 五、PN结电容 六、PN结的电致发光 七、PN结的光电效应
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一、PN结的形成
概念：
P区
N区
扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运 动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。
漂移运动：载电流（自由电子和空穴）在电场力的作 用下产生的定向移动，称为漂移运动。
19/65 空穴 自由电子
负离子 P区
N区 正离子
内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 产生了漂移运动
扩散运动
载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流
扩散运动=漂移运动时
P区
达到动态平衡
负离子区
内电场 耗尽层
PN结
N区 正离子区
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二、PN结的接触电位差
内电场的建立，使PN结中产生 了电位差 ，从而形成接触电位U。
接触电位U决定于材料及掺杂浓度
硅： U≈0.7 V
U
锗： U≈0.3 V
制作单位：北京交通大学电子信息工程学院 《模拟电子技术》课程组
PN结的形成及特性
P
N
6
第 3章 二极管及其基本电路
(2) 在浓度差的作用下，空穴从 P区向N区扩散。
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ + + +++
漂移运动
空间电荷区， 也称耗尽层。
P 型半导体
内电场E N 型半导体
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ + + +++
第 3章 二极管及其基本电路
3.2 PN结的形成及特性
P是指的P型半导体，N指的是N型半导体，当一块纯净的半 导体一半掺杂为N型，一半掺杂为P型，那么在两个区域之间 就形成了一个PN结（结是指的N型半导体和P型半导体的交接 的介面上），首先看一下PN结是怎么形成的？
p-n结的形成
PN结的形成一、PN结的形成在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体的交界面附近就形成了PN结。
PN结是构成各种半导体器件的基础。
在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内电子很多而空穴很少，而P型区内空穴很多电子很少，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。
这样，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。
于是，有一些电子要从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。
它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子,N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。
半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。
这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，就是所谓的PN结。
空间电荷区有时又称为耗尽区。
扩散越强，空间电荷区越宽。
在出现了空间电荷区以后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区就形成了一个内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。
显然，这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，它是阻止扩散的。
另一方面，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。
从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄。
当漂移运动和扩散运动相等时，PN结便处于动态平衡状态。
二、PN结的正向导电性当PN结加上外加正向电压，即电源的正极接P区，负极接N区时，外加电场与PN结内电场方向相反。
在这个外加电场作用下，PN结的平衡状态被打破，P区中的多数载流子空穴和N区中的多数载流子电子都要向PN结移动，当P区空穴进入PN结后，就要和原来的一部分负离子中和，使P区的空间电荷量减少。
同样，当N区电子进入PN结时，中和了部分正离子，使N区的空间电荷量减少，结果使PN结变窄，即耗尽区由厚变薄，由于这时耗尽区中载流子增加，因而电阻减小。
第2章_PN结
kT dn 由爱因斯坦关系 可得 Edx q n
kT 上式在整个势垒区积分 Edx xp q
xn
E
dV dx
n xn kT kT nn 0 V xn V x p ln ln q np0 n xp q
V xn V x p VD N D nn 0 N A p p0
第2章 PN 结
1
第2章 PN 结
PN 结是构成各种半导体器件的基本单元。 PN结中的载流子既有漂移运动，又有扩散运动； 既有产生，又有复合，这些性质集中反映在半导体 的导电特性中。
P区 NA
N区 ND
2
第2章 PN 结
1、PN 结的形成
在同一块N型（或P型）半导体单晶上，用特定 的工艺方法把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块 单晶相连的二个不同区域分别具有N型区和P型区的 导电类型，在二者交界面以及交界面两侧的过渡区 即称为PN结。
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（4）玻尔兹曼边界条件
即在势垒区两端，载流子分布满足玻尔兹曼分布。
（5）忽略半导体表面对电流的影响。
（6）只考虑一维情况。
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理想PN结的伏安特性
正向偏压V＞0时，P区边界-xp处的非平衡少子浓度
qV qVD qV n p x p n p 0 exp nn 0 exp kT kT P区边界 x x p 处的过剩载流子浓度
（1）小注入条件
满足下列条件的PN结）
即注入的非平衡少子浓度比平衡多子浓度小得多；
（2）耗尽层近似
即外加电压都降落在耗尽层（势垒区）上，耗尽层 以外的半导体是电中性的，因此注入的少子在 P区 和N区只作扩散运动；
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。
阐述pn结形成过程
阐述pn结形成过程PN结是半导体器件中最基本的结构之一。
它由p型半导体和n型半导体组成，呈现出一个p区和一个n区，两个区域之间成为PN结。
PN结具有很高的电子迁移率和能量差异，使其成为电子器件和光电器件中最重要的元件之一。
PN结的形成是由掺杂半导体材料而来，以下将详细阐述其形成过程。
1. 掺杂p型半导体材料p型半导体材料中的杂质为三价元素（如铝、硼等），加入这些杂质可使半导体材料具有空穴导电特性。
电子掉入原子核周围的空缺中，形成一个空穴，空穴在半导体中以正电荷离子的形式移动。
掺入杂质后，p型半导体材料变得导电，同时在杂质周围有相应的空穴云。
2. 掺杂n型半导体材料n型半导体材料中的杂质为五价元素，如磷、砷等。
加入这些杂质可使半导体材料具有电子导电特性。
杂质原子多了一个电子，这个电子能从杂质原子跃迁到半导体的导带中，形成自由电子。
掺入杂质后，n 型半导体材料变得导电，同时在杂质周围有相应的电子云。
3. PN结的形成将p型半导体材料和n型半导体材料剖成两块，将它们压在一起，然后将两者加热，这样就形成了一个PN结。
此时，p区域中的空穴云和n区域中的电子云会彼此结合，因为他们具有相反的电性。
由于p型材料和n型材料之间的电势差，电子从n区移动到p区，同时空穴也从p区移动到n区。
在移动过程中，空穴和电子复合，释放出能量，形成一个耗尽层，这是一个极其薄的区域，两端电场非常强，因此称之为PN结。
4. PN结的特性PN结具有一个重要的特性，即向一个方向可以通过电流，向另一个方向则几乎不行。
当PN结的接线方式为正向偏置时，即p连接正极，n 连接负极时，电子从n区向p区移动，空穴也从p区向n区移动。
当PN结的接线方式为反向偏置时，即p连接负极、n连接正极时，所有载流子都会被耗尽层内的电场吸引，从而没有电流通过。
因此，PN结具有单向导电性，这是电子器件和光电器件中最重要的元件之一。
总之，PN结的形成过程是由p型半导体材料和n型半导体材料掺杂而来，两者相互结合便形成了PN结，并呈现出了单向导电特性，这个过程为半导体器件深入发展奠定了坚实的基础。
PN结的形成及特性.ppt
与硅原子相撞时，使价电子脱离共价键的束缚， iD
产生新的电子空穴对，新的电子空穴对又产生
碰撞，又产生新的电子空穴对，这种连锁反应
使载流子数目增加，从而电流增加。 V(BR)
击穿电压>6V
vD
齐纳击穿(Zener译音)，又称隧道击穿：杂
质浓度很高时，PN结的阻挡层很薄，虽然反 向电压只有几伏，但电场强度确很大，强电 场可把共价键中的电子拉出，新产生的电子 空穴使PN结反向电流激增。击穿电压<6V
3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少 子），数量有限，因此由它们形成的电流 很小。
二、 PN结的单向导电性
PN 结加上正向电压、正向偏置的意思是： P 区接 电源正端、N 区接电源的负端。
PN 结加上反向电压、反向偏置的意思是： P接电 源的负端、N 区接电源正端。
1.PN 结正向偏置 P区接“+”，N区接“-”
指数函数
iD IS (evD /VT 1)
其中Is为反向饱和电流， VT=kT/q，称为热电压，为k为 玻耳兹曼常数，T为热力学温 度，q为电子的电量，常温下， T＝300K时，vT=26mv
i/mA
Hale Waihona Puke 3020Is10
20 10 0
2 0.5 1.0 1.5 v/V 4
-i/ uA
4. PN结的击穿特性
5、PN结的电容特性
势垒电容：因电荷存储在势垒区得名。 Q
Q
CB
Q V
dQ dV
V
,CB
CB0 (1 VD
)m
V
V0
势垒电容 ：PN结耗尽层中缺乏载流子，电阻率 V 高，相当于一绝缘介质，它的两侧为P区和N区， 其导电率较高，相当于电容器的金属板，耗尽层 中存在的不能移动的正负离子相当于存储的电荷， 当外加电压改变时，电荷量也改变，即外加反向 电压时，电荷量增加；外加正向电压时，电荷量 减少，这些现象跟电容的作用类似。因电荷存储 在势垒区而得名。
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。
半导体pn结的形成原理
半导体pn结的形成原理半导体pn结是一种半导体器件结构，由p型半导体和n型半导体组成，中间隔离一层窄的无掺杂区域。
它是电子电路中最基本的器件之一，应用广泛，如二极管、LED等。
下面将分步骤阐述半导体pn结的形成原理。
第一步：制备p型半导体和n型半导体。
p型半导体的制备是在硅晶体中通过掺杂5族元素，如铋、镓和铝等。
这些元素的原子外层有一个单独的电子，称为杂质原子。
当投放p型杂质时，硅晶体的少量硼原子将取代一些硅原子。
因为硼原子比硅原子少一个电子，替换后的硅晶体会有一个空位，称为“空穴”。
这样在p型半导体中会有大量的空穴，形成“空穴”电流。
同样，n型半导体是掺杂3族元素后得到的。
3族元素的原子外层有一个多余的电子，称为杂质原子。
当投放n型杂质时，硅晶体中的少量磷原子将取代一些硅原子。
因为磷原子比硅原子多一个电子，替换后的硅晶体中会多出一些自由电子，形成“电子”电流。
第二步：将p型半导体与n型半导体相接触。
现在我们有了p型半导体和n型半导体，然后把它们放在一起，就形成了p-n结。
它们之间的接触面被称为p-n界面。
当p型半导体和n型半导体触碰在一起时，会发生特别的现象。
p型半导体中的空穴会迁移到n型半导体中，n型半导体中的电子也会迁移到p型半导体中。
这种现象称为“扩散”。
第三步：形成屏障。
在形成pn结时，p型半导体中的正离子和n型半导体中的负离子会相互吸引，在p-n界面处会形成一个电势垒，成为屏障。
由于在连接处的电子和空穴将会被固定在接口上，电荷不再能流动。
因此，p-n结只能在一个方向上传导电流，成为二极管。
第四步：应用半导体pn结广泛用于多种电子元器件，如二极管、LED、太阳能电池、Zener二极管等。
非常实用的nmos和pmos晶体管也是由p-n结构成的。
pn结技术被应用于射频线路中的Mixer、振荡器及放大器等电路，也被用于半导体探测器、放大器等。
总的来说，半导体pn结的形成原理与它的应用是相互联系的。
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P区
达到动态平衡
负20/65
二、PN结的接触电位差
•内电场的建立，使PN结中产生 了电位差 ，从而形成接触电位U。
•接触电位U决定于材料及掺杂浓度
硅： U≈0.7 V
U
锗： U≈0.3 V
制作单位：北京交通大学电子信息工程学院 《模拟电子技术》课程组
半导体PN结的形成
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2.1.4 PN结
一、PN结的形成 二、PN结的接触电位差 三、PN结的伏安特性 四、PN结的反向击穿特性 五、PN结电容 六、PN结的电致发光 七、PN结的光电效应
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一、PN结的形成
P区
N区
概念：
扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运
动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。
漂移运动：载电流（自由电子和空穴）在电场力的作 用下产生的定向移动，称为漂移运动。
19/65 空穴
自由电子
负离子 P区
N区 正离子
内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 产生了漂移运动
扩散运动
载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运 形动 成的电流成为扩 流
散电
扩散运动=漂移运动时