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標簽 > PN結
采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結。
采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結（英語：PN junction）。PN結具有單向導電性，是電子技術中許多器件所利用的特性，例如半導體二極管、雙極性晶體管的物質(zhì)基礎。
采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結（英語：PN junction）。PN結具有單向導電性，是電子技術中許多器件所利用的特性，例如半導體二極管、雙極性晶體管的物質(zhì)基礎。
原理
雜質(zhì)半導體N型半導體（N為Negative的字頭，由于電子帶負電荷而得此名）：摻入少量雜質(zhì)磷元素（或銻元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導體原子（如硅原子）被雜質(zhì)原子取代，磷原子外層的五個外層電子的其中四個與周圍的半導體原子形成共價鍵，多出的一個電子幾乎不受束縛，較為容易地成為自由電子。于是，N型半導體就成為了含電子濃度較高的半導體，其導電性主要是因為自由電子導電。［1］ P型半導體（P為Positive的字頭，由于空穴帶正電而得此名）：摻入少量雜質(zhì)硼元素（或銦元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導體原子（如硅原子）被雜質(zhì)原子取代，硼原子外層的三個外層電子與周圍的半導體原子形成共價鍵的時候，會產(chǎn)生一個“空穴”，這個空穴可能吸引束縛電子來“填充”，使得硼原子成為帶負電的離子。這樣，這類半導體由于含有較高濃度的“空穴”（“相當于”正電荷），成為能夠導電的物質(zhì)。［2］
PN結的形成PN結是由一個N型摻雜區(qū)和一個P型摻雜區(qū)緊密接觸所構成的，其接觸界面稱為冶金結界面。［3］ 在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導體，另一邊形成P型半導體，我們稱兩種半導體的交界面附近的區(qū)域為PN結。在P型半導體和N型半導體結合后，由于N型區(qū)內(nèi)自由電子為多子空穴幾乎為零稱為少子，而P型區(qū)內(nèi)空穴為多子自由電子為少子，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差。由于自由電子和空穴濃度差的原因，有一些電子從N型區(qū)向P型區(qū)擴散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴散。它們擴散的結果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。開路中半導體中的離子不能任意移動，因此不參與導電。這些不能移動的帶電粒子在P和N區(qū)交界面附近，形成了一個空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)的薄厚和摻雜物濃度有關。在空間電荷區(qū)形成后，由于正負電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)形成了內(nèi)電場，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負電的P區(qū)。顯然，這個電場的方向與載流子擴散運動的方向相反，阻止擴散。另一方面，這個電場將使N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，漂移運動的方向正好與擴散運動的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補充了原來交界面上P區(qū)所失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補充了原來交界面上N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，內(nèi)電場減弱。因此，漂移運動的結果是使空間電荷區(qū)變窄，擴散運動加強。最后，多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。在P型半導體和N型半導體的結合面兩側，留下離子薄層，這個離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結。PN結的內(nèi)電場方向由N區(qū)指向P區(qū)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。
制造工藝
PN結是構成各種半導體器件的基礎。制造PN結的方法有：制造異質(zhì)結通常采用外延生長法。（1）外延方法：突變PN結；（2）擴散方法：緩變PN結；
（3）離子注入方法：介于突變結與緩變結之間；
PN 結的擊穿機理
PN 結構成了幾乎所有半導體功率器件的基礎，目前常用的半導體功率器件如DMOS，IGBT，SCR 等的反向阻斷能力都直接取決于 PN 結的擊穿電壓，因此，PN 結反向阻斷特性的優(yōu)劣直接決定了半導體功率器件的可靠性及適用范圍。在 PN結兩邊摻雜濃度為固定值的條件下，一般認為除 super junction 之外平行平面結的擊穿電壓在所有平面結中具有最高的擊穿電壓。實際的功率半導體器件的制造過程一般會在 PN 結的邊緣引入球面或柱面邊界，該邊界位置的擊穿電壓低于平行平面結的擊穿電壓，使功率半導體器件的擊穿電壓降低。由此產(chǎn)生了一系列的結終端技術來消除或減弱球面結或柱面結的曲率效應，使實際制造出的 PN 結的擊穿電壓接近或等于理想的平行平面結擊穿電壓。
當 PN 結的反向偏壓較高時，會發(fā)生由于碰撞電離引發(fā)的電擊穿，即雪崩擊穿。存在于半導體晶體中的自由載流子在耗盡區(qū)內(nèi)建電場的作用下被加速其能量不斷增加，直到與半導體晶格發(fā)生碰撞，碰撞過程釋放的能量可能使價鍵斷開產(chǎn)生新的電子空穴對。新的電子空穴對又分別被加速與晶格發(fā)生碰撞，如果平均每個電子（或空穴）在經(jīng)過耗盡區(qū)的過程中可以產(chǎn)生大于 1 對的電子空穴對，那么該過程可以不斷被加強，最終達到耗盡區(qū)載流子數(shù)目激增，PN 結發(fā)生雪崩擊穿。
半導體的導電特性
半導體以其導電性能介乎于導體和絕緣體之間而得名。如硅、鍺、硒以及大多數(shù)金屬氧化物和硫化物都是半導體。
金屬導體依靠自由電子導電。絕緣體原子最外層的電子被原子核束縛得很緊，所以絕緣體中自由電子極少，不易導電。而半導體原子最外層的電子處于半自由狀態(tài)。以常用的半導體材料硅原子結構為例，它有四個價電子，完全純凈的硅晶體結構中，每一個原子與相鄰的四個原子結合，每一個原子的一個價電子與另一個原子的一個價電子組成一個電子對，構成共價鍵結構，如右圖所示。半導體一般都具有晶體結構，故半導體又稱為單晶體。
共價鍵中的價電子不像絕緣體原子外層的電子被束縛得那么緊，在受到熱的作用或受到光照射時，熱能和光能轉化為電子的動能，原子最外層的價電子便很容易掙脫原子核的束縛，形成自由電子，此時在原子共價鍵結構中，相應出現(xiàn)了一個電子空位，稱為空穴，由于電子帶負電荷而原子又是中性的，因此空穴可認為是帶正電荷。具有空穴的原子又可吸引鄰近原子中的價電子來填補其空穴，從而形成電子運動。這時空穴也從某一個原子內(nèi)移動到了另一個原子內(nèi)，形成空穴運動。這樣在一定條件下，半導體中出現(xiàn)了兩種帶電運動，一種是帶負電荷的自由電子運動；另一種便是帶正電荷的空穴運動。在外電場的作用下，電子向電源正極定向運動，空穴向電源負極定向運動，于是電路中便形成電流。
半導體導電的特點，就是同時存在電子導電和空穴導電，所以自由電子和空穴都稱為載流子。純凈半導體中載流子總是成對出現(xiàn)，并不斷復合，在一定條件下達到動態(tài)平衡，使半導體中載流子的數(shù)量維持恒定。當條件改變后，如溫度升高或光照加強，載流子數(shù)量又會增多，使半導體的導電性能增強，故溫度對半導體導電性能影響很大。
純凈半導體一般導電能力是較差的，而在其中加入某種雜質(zhì)后，導電能力即可大大增強，其原因同樣與其共價鍵結構有關。
N型和P型半導體
在純凈的半導體中，摻入極微量有用的雜質(zhì)，雜質(zhì)不同，其增加的導電載流子的類型也不同，可分為兩大類，如在硅單晶體中摻入五價元素磷，磷原子外層有五個價電子，其中四個價電子與硅原子中的四個價電子形成共價鍵后，多出的一個電子便很容易掙脫原子核的束縛而成為自由電子，這樣摻磷后的半導體中自由電子的數(shù)量大大增加，因而加強了原純凈半導體的導電能力。摻入五價元素的半導體，自由電子是導電的主要載流子，稱多數(shù)載流子，而原半導體中的空穴則稱少數(shù)載流子，這種半導體由于電子帶負電，故稱電子型半導體或N型半導體，如下圖a所示。
若在硅單晶體中摻入三價元素硼，硼原子外層只有三個價電子，與硅原子中的價電子形成共價鍵時，將出現(xiàn)一個空穴，與N型半導體相比，這類半導體主要是空穴導電，即空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子，由于空穴被認為帶正電，故稱空穴型半導體或P型半導體，如上圖b所示。
在N型半導體中，摻入五價元素越多，自由電子數(shù)量越多，導電性能越好。同理在P型半導體中，摻入三價元素越多，空穴數(shù)量越多，導電性能也越好。在制造時，可用摻雜的多少來控制多數(shù)載流子的濃度。而在使用中因出現(xiàn)溫度的升高或光照的增多，P型或N型半導體中少數(shù)載流子的濃度也會出現(xiàn)急劇增加的現(xiàn)象。
N型半導體和P型半導體，雖然都有一種多數(shù)載流子，但整個半導體仍是電中性的。
PN結的形成
將下圖a的P型半導體和N型半導體采用一定的工藝措施緊密地結合在一起，由于N區(qū)電子濃度遠大于P區(qū)，P區(qū)的空穴濃度遠大于N區(qū)，因此N區(qū)的電子要穿過交界面向P區(qū)擴散，P區(qū)的空穴也要穿過交界面向N區(qū)擴散。擴散的結果，在交界面形成一個薄層區(qū)，在這薄層區(qū)內(nèi)，N區(qū)的電子已跑到P區(qū)，N區(qū)留下了帶正電的原子，形成N區(qū)帶正電；P區(qū)的空穴已被電子填充，P區(qū)留下了帶負電的原子，形成P區(qū)帶負電。這薄層稱為空間電荷區(qū)，如下圖b所示。
這薄層的兩邊類似已充電的電容器，形成由N→P的內(nèi)電場?？臻g電荷區(qū)內(nèi)基本上已沒有載流子，故又稱為耗盡層，或稱PN結，它具有很高的電阻率。顯然這個內(nèi)電場形成后將阻礙多數(shù)載流子的擴散運動；同時，內(nèi)電場又使P區(qū)少數(shù)載流子——電子向N運動；使N區(qū)少數(shù)載流子—— 空穴向P區(qū)運動。這種少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下的運動稱為漂移運動。
擴散運動和漂移運動是同時存在的一對矛盾，開始形成空間電荷區(qū)時，多數(shù)載流子的擴散是矛盾的主導，隨著擴散運動的進行，空間電荷區(qū)即PN結不斷增寬，內(nèi)電場增強，此時擴散運動減弱，而漂移運動越來越強，在一定溫度時，最終擴散、漂移運動達到動平衡，PN結處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，PN結之間再沒有定向電流。
PN結的單向導電原理
外加正向電壓：PN結導通（導電）：如下圖a所示，將電源E串聯(lián)電阻R后正極接于P區(qū)，負極接于N區(qū)，這時稱PN結外加正向電壓。在正向電壓作用下，PN結中的外電場和內(nèi)電場方向相反，擴散運動和漂移運動的平衡被破壞，內(nèi)電場被削弱，使空間電荷區(qū)變窄，多數(shù)載流子的擴散運動大大地超過了少數(shù)載流子的漂移運動，多數(shù)載流子很容易越過PN結，形成較大的正向電流，PN結呈現(xiàn)的電阻很小，因而處于導通狀態(tài)。串聯(lián)電阻是為了防止電流過大而可能燒毀PN結。
外加反向電壓，PN結截止（不導電）：上圖b中，將電源E的正極接于N區(qū)，負極接于P區(qū)，PN結外加反向電壓，或稱PN結反向接法。此時外電場和內(nèi)電場方向一致，內(nèi)電場增強，使空間電荷區(qū)加寬，對多數(shù)載流子擴散運動的阻礙作用加強，多數(shù)載流子幾乎不運動，但是，增強了的內(nèi)電場有利于少數(shù)載流子的漂移運動，由于少數(shù)載流子的數(shù)量很少，只形成微小的反向電流，PN結呈現(xiàn)的反向電阻很大，因此處于截止狀態(tài)。反向電流對溫度非常敏感，溫度每升高8~10℃，少數(shù)載流子形成的反向電流將增大1倍。
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