PN结基础知识

在硅、锗,砷化稼等具有共价键的单晶本征半导体材料中，以特殊工艺[ 如高温扩散、离子注入等］“搀杂”进一定浓度 【 10e-6~10e-10」的其它特定原子，在不破坏原半导体共价键的情况下，使“杂质”原子在晶格的某些位置上替代原来材料的原子，因为原晶体的共价键结构的存在，以及杂质原子与晶体原子的自由电子数目不相等，那么在形成共价键后，杂质原子就会多出自由电子或者被共价键牵引而缺少了自由电子。从整个材料特性看来仍然对外界表现出电中性，但在晶格附近就会有多余的电子或者因缺少电子而形成了带正电的“空穴”。有“多余”电子的搀杂材料就称为 Negative 型半导体，带“空穴”的搀杂材料就称为 Positive 型半导体。
从电路结构上说来， PN 结是一种特殊的材料接触结构：将 P 型半导体以及 N 型半导体以特定的工艺进行原子级结合就可以形成 PN 结， PN 结有这 样的特点：因 P 型半导体中的空穴、 N 型半导体中的电子互相“渗透”会形成一个接触电场，方向为从 N 端指向 P 端。当分别在 P,N端加上电压时， PN 结将表现出宝贵的单向导电性： P 极加正电压， N 极加负电压时接触电场被削弱， PN 结导通； N 极加正电压， P 极加负电压时接触电场被增加，导致自由电子无法通过。在 PN 正向导通时，因接触电场的存在，将会在结上形成一固定压降，硅 PN 结的压降一般为 O . 6V 左右，锗材料结的压降为 0 . 3 一 O . SV 左右。锗材料的温度敏感性很强，其稳定性远远不如硅材料。 PN 结示意图如图1 . 1 :


PN 结的典型 V/I 特性曲线如图 1 . 2:
这是典型的 PN 结伏安特性。可见 PN 结在加以很大的反压时可以突然导通，导通电阻很小，导通电压为 vl ， 在加以正压时，在一个比较小的电压上［ V2 ] , PN 结也开始相对缓慢导通。于电压 Vl 处的导通称为反向击穿，击穿后若对电流不加以限制,很容易使 PN 过流烧毁，但电压 Vl 比较稳定，这个特性被运用于稳压。 VZ 处的导通称为正向导通，其电压对于硅管说来为 O . 6V 左右，对于锗管说来为 0 . 3 一 O . SV 左右。 Vl 的电压大小可以通过半导体加工工艺来改变，可以做到几伏到几千伏。在 PN 区分别接上欧姆接触电极，就构成了各种“二极管”。 PN 结的反向击穿从机理上说来有两种：齐纳击穿和雪崩击穿。

图 1 . 2 PN 结典型伏安特性
在搀杂浓度较高的条件下， PN 结的宽度很小，较小的反向电压就可以形成很强的结内反向电场。若电场强度超过 10e6V / m 时，有些共价键上的电子会被电场力拉出，载流子迅速增加。这种击穿被 Zenar 发现，其击穿电压与电流的关系不大，也就是说电压较稳。这种现象称为齐纳击穿。在 PN 结宽度比较宽时，较高的反向结电压还不能产生过强的结内电场，但是由于载流子穿过结的路程比较长，不断被电场加速，将其它价电子“撞”出了共价键，产生新的电子一空穴对，这些载流子又去撞其它共价键不断产生“链式”反应，最后导致 PN 结反向电流剧烈增加。这种现象称为雪崩击穿。一般对于反压小于 4V 的击穿称为齐纳击穿，反压大于 7V 的称为雪崩击穿，两者之间可能两种模式都存在。不管是哪种击穿，若击穿电流不加外界限制，最后都会因结温度过高而毁坏，若有外界电流限制，两种模式都不会损坏 PN 结。从器件内“ PN结”的数目看来，二极管属于单结器件。