文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了PN結(jié)的原理、結(jié)構(gòu)和特性。

PN 結(jié)是構(gòu)成二極管、雙極型晶體管、MOS 晶體管等各類半導(dǎo)體器件的核心結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)是 p 型半導(dǎo)體與 n 型半導(dǎo)體接觸后，在交界面形成的特殊功能薄層。PN 結(jié)的形成主要通過兩種方式：一是將獨立的 p 型半導(dǎo)體與 n 型半導(dǎo)體直接結(jié)合；二是利用 “雜質(zhì)補償作用”—— 在 p 型半導(dǎo)體局部區(qū)域摻入高濃度五價雜質(zhì)（如磷），使該區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)?n 型半導(dǎo)體（形成反型層），或在 n 型半導(dǎo)體局部摻入高濃度三價雜質(zhì)（如硼），使其轉(zhuǎn)變?yōu)?p 型半導(dǎo)體，兩種方式均可在交界面形成穩(wěn)定的 PN 結(jié)。

PN 結(jié)的形成機制與載流子運動平衡

當(dāng) p 型半導(dǎo)體與 n 型半導(dǎo)體初始接觸時，由于兩側(cè)載流子濃度存在顯著差異，會引發(fā)一系列物理過程，最終形成穩(wěn)定的 PN 結(jié)結(jié)構(gòu)，具體過程如下：

載流子的擴散運動

如圖 1 所示，p 型半導(dǎo)體中（簡稱 p 區(qū)）的多數(shù)載流子（多子）是空穴，濃度遠高于 n 型半導(dǎo)體（簡稱 n 區(qū)）；而 n 區(qū)的多子是自由電子，濃度遠高于 p 區(qū)。根據(jù) “粒子從高濃度向低濃度擴散” 的規(guī)律，p 區(qū)的空穴會向 n 區(qū)擴散（運動方向從左向右），n 區(qū)的自由電子會向 p 區(qū)擴散（運動方向從右向左）。

耗盡層（空間電荷區(qū)）的形成

當(dāng)空穴與自由電子在交界面相遇時，會發(fā)生 “復(fù)合” 現(xiàn)象（即電子填充空穴，兩者均失去導(dǎo)電能力），導(dǎo)致交界面處的載流子濃度大幅降低，形成阻值極高的 “高阻區(qū)”，也稱為耗盡層、勢壘區(qū)或空間電荷區(qū)。同時，復(fù)合過程會使交界面兩側(cè)留下無法移動的雜質(zhì)離子：n 區(qū)一側(cè)因失去電子，留下帶正電的雜質(zhì)離子（如磷離子）；p 區(qū)一側(cè)因失去空穴，留下帶負電的雜質(zhì)離子（如硼離子），這些離子共同構(gòu)成了 “內(nèi)建電場”。

擴散與漂移的動態(tài)平衡

內(nèi)建電場的方向由 n 區(qū)的正離子指向 p 區(qū)的負離子，其作用有兩點：一是阻礙多子的進一步擴散（與擴散運動方向相反）；二是推動少子的 “漂移運動”—— 將 n 區(qū)的少數(shù)載流子（少子，為空穴）推向 p 區(qū)，將 p 區(qū)的少子（為電子）推向 n 區(qū)（漂移運動方向與內(nèi)建電場方向一致）。最終，擴散運動（多子遷移）與漂移運動（少子遷移）的速率達到相等，形成動態(tài)平衡，此時交界面處的空間電荷區(qū)厚度與內(nèi)建電場強度均保持穩(wěn)定，PN 結(jié)正式形成。

PN 結(jié)的偏置特性（正向?qū)ㄅc反向截止）

當(dāng)在 PN 結(jié)兩端施加外部電壓（即 “偏置電壓”）時，會打破擴散與漂移的動態(tài)平衡，使 PN 結(jié)呈現(xiàn)出截然不同的導(dǎo)電特性，具體分為正向偏置與反向偏置兩種狀態(tài)：

1. 正向偏置（正偏）——PN 結(jié)導(dǎo)通

正向偏置的定義是：將電源正極連接 p 區(qū)，負極連接 n 區(qū)（如圖 2 (a) 所示）。此時，外加電場的方向與內(nèi)建電場方向相反，會顯著削弱內(nèi)建電場的強度，導(dǎo)致空間電荷區(qū)厚度變薄。內(nèi)建電場的削弱使多子的擴散運動阻力減小，擴散運動強度遠超漂移運動，形成以多子為主導(dǎo)的 “正向電流”。

正向偏置時，PN 結(jié)呈現(xiàn)低電阻特性（正向?qū)ǎ?，具體表現(xiàn)為：①正向壓降很?。ㄍǔ９璨牧?PN 結(jié)正向壓降約 0.7V，鍺材料約 0.2V）；②正向電流隨外加電壓的增加呈指數(shù)級增長 —— 當(dāng)電壓超過 “死區(qū)電壓”（硅材料約 0.5V）后，電流會快速上升，此時 PN 結(jié)可穩(wěn)定導(dǎo)通，實現(xiàn)電流的高效傳輸。

2. 反向偏置（反偏）——PN 結(jié)截止

反向偏置的定義是：將電源正極連接 n 區(qū)，負極連接 p 區(qū)（如圖 2 (b) 所示）。此時，外加電場的方向與內(nèi)建電場方向一致，會進一步增強內(nèi)建電場強度，導(dǎo)致空間電荷區(qū)厚度變寬。內(nèi)建電場的增強使多子的擴散運動幾乎完全被抑制，此時導(dǎo)電主要依賴少子的漂移運動，形成 “反向電流”。

反向偏置時，PN 結(jié)呈現(xiàn)高電阻特性（反向截止），具體表現(xiàn)為：①反向電流極其微弱（通常為納安級），因為少子數(shù)量極少；②在一定反向電壓范圍內(nèi)（未達到擊穿電壓），反向電流基本保持不變，稱為 “反向飽和電流”；③反向飽和電流對溫度敏感，隨溫度升高而顯著增加 —— 這是由于溫度升高會提供更多熱能，激發(fā)半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生更多本征載流子（少子數(shù)量增加），從而導(dǎo)致反向電流上升。

PN 結(jié)的核心應(yīng)用與電容特性

1. 核心應(yīng)用 —— 二極管的單向?qū)щ娦?/p>

PN 結(jié)是二極管的核心結(jié)構(gòu)：在 PN 結(jié)兩端引出電極引線并封裝管殼，即可制成二極管。二極管的本質(zhì)是 PN 結(jié)，因此繼承了 PN 結(jié) “正向?qū)?、反向截止?的特性，即 “單向?qū)щ娦浴薄?正向電壓下電流可順暢通過，反向電壓下幾乎無電流通過，這種特性使二極管可作為電路中的 “電子開關(guān)”，廣泛應(yīng)用于整流、檢波、穩(wěn)壓等場景。

2. PN 結(jié)的電容特性

PN 結(jié)在工作過程中還會表現(xiàn)出電容效應(yīng)，根據(jù)成因不同可分為擴散電容與勢壘電容兩類：

擴散電容（Cd）：僅在 PN 結(jié)正向偏置時存在。正向偏置下，多子擴散到對方區(qū)域后，會在 PN 結(jié)邊界附近形成一定濃度梯度的載流子積累層（如 p 區(qū)的電子積累層、n 區(qū)的空穴積累層）。當(dāng)外加正向電壓變化時，積累層中的電荷量會隨之變化，從而產(chǎn)生電容效應(yīng)，稱為擴散電容。電壓變化頻率越高，擴散電容的影響越顯著。

勢壘電容（Cb）：在正向偏置與反向偏置下均存在?？臻g電荷區(qū)（勢壘區(qū)）可視為 “介質(zhì)層”，兩側(cè)的雜質(zhì)離子可視為 “極板”，構(gòu)成類似平行板電容器的結(jié)構(gòu)。當(dāng)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的厚度會改變，導(dǎo)致極板上的電荷量（雜質(zhì)離子數(shù)量）變化，從而產(chǎn)生電容效應(yīng)，稱為勢壘電容。反向偏置時，空間電荷區(qū)較寬，勢壘電容較小；正向偏置時，空間電荷區(qū)較窄，勢壘電容較大。

PN 結(jié)的電容特性會影響其在高頻電路中的性能，例如高頻信號下電容效應(yīng)會導(dǎo)致信號衰減或相位偏移，因此在高頻器件設(shè)計中需重點考慮并優(yōu)化這一特性。