PN结及其单向导电性

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。

创客教育中的电子基础（2）
——PN结及单身导电性
要掌握晶体管器件及其特性，我们需要了解P型半导体、N型半导体和PN结。

P型半导体：在纯净的硅（或锗）晶体中掺入三
价元素(如硼、铝)形成的,其空穴的浓度大于自由电子的浓度。

N型半导体：在纯净的硅（或锗）晶体中
掺入五价元素(如磷、镓)形成的,其自由电子的
浓度大于空穴的浓度。

PN结：将P型半导体和N型半导体“压”
在一起时，在它们的交界面上会自由电子和空穴因浓度不同产生扩散运动，随着扩散运动进行的同时
产生了结电场（或称内建电场），
在结电场的作用下载流子进行
了漂移运动，当载流子的扩散与
漂移运动达到平衡时，就形成了一个相对稳定的PN结。

PN结具有单向导电性(如下图)。

当P区电位高于N区电位（正向偏置），在外电场的作用下，P区的空穴向N区移动，N区的电子向P区移动，当外电场抵消了内建电场作用后，就会开始有载流子从P区流向N区，形成了PN结正向导电；反之，当P区电位小于N区
电位（反向偏置），在外电场和内建电场同向叠加的作用下，P区的空穴偏离PN结向压向P区，同样N区的电子偏离PN结压向N区，
结处于截止状态。

PN结中无载流子通过，PN
2020年4月2日（鹤鸣）。

PN结的单向导电性PN结在外加电压的作用下，动态平衡将被打破，并显示出其单向导电的特性。

1、外加正向电压当PN结外加正向电压时，外电场与内电场的方向相反，内电场变弱，结果使空间电荷区（PN结）变窄。

同时空间电荷区中载流子的浓度增加，电阻变小。

这时的外加电压称为正向电压或正向偏置电压用VF表示。

在VF作用下，通过PN结的电流称为正向电流IF。

外加正向电压的电路如图所示。

2、外加反向电压外加反向电压时，外电场与内电场的方向相同，内电场变强，结果使空间电荷区（PN结）变宽, 同时空间电荷区中载流子的浓度减小，电阻变大。

这时的外加电压称为反向电压或反向偏置电压用VR表示。

在VR作用下，通过PN结的电流称为反向电流IR或称为反向饱和电流IS。

如下图所示。

3、PN结的伏安特性根据理论分析，PN结的伏安特性可以表达为：式中iD为通过PN结的电流，vD为PN结两端的外加电压；VT为温度的电压当量=kT/q=T/11600=0.026V，其中k为波尔慈曼常数（1.38×10-23J/K），T 为绝对温度（300K），q为电子电荷（1.6×10-19C）；e为自然对数的底；IS为反向饱和电流。

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第1章半导体晶体管和场效应管一、重点和难点1.半导体材料的导电特性半导体材料的导电特点决定了半导体器件的特点和应用场合，因此透彻的了解半导体的导电特点是学习电子技术的基础，也是本章的重点之一。

2.PN结的单向导电性所有的半导体器件都是由一个或者多个PN结组合而成的，深刻理解PN结的单向导电性的特点是本章的重点。

3.二极管的参数二极管的参数中，有表示极限的参数，有表示优劣的参数，同时有直流参数，又有交流参数，有建立在时间积累效应基础上的电流参数，还有建立在雪崩效应和隧道效应基础上的瞬时电压参数，正确的理解二极管的参数是应用的前提和基础，掌握每个参数的意义是本章的重点，也是本章的难点，4.二极管的应用二极管的主要利用其单向导电性可以用来构成各种电路，二极管的应用是本章的重点。

5.三极管的结构三极管的是由两个相互关联的PN结构成的，三极管由于其内部载流子的运动规律难于形象描述而成为本章的难点。

6.三极管的特性三极管不论输入还是输出都是非线性的，故此其为本章的难点，由于了解管子的特性是对于管子应用的基础和前提，因此正确理解输入电流对输出电流的控制也是本章的重点。

7.三极管的应用三极管在日常生活中有着非常广泛的应用，模拟电子中主要用其放大作用，数字电子中主要用其开关作用。

学习的目的主要是为了应用，因此是本章的重点。

二、学习方法指导1.半导体材料的导电特性半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间，其导电特性包括：对温度反映灵敏(热敏性) ，杂质的影响显著(掺杂性) ，光照可以改变电阻率(光敏性)。

2.自由电子和空穴当一部分价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子后，共价键中就留下相应的空位，这个空位被称为空穴。

原子因失去一个价电子而带正电，也可以说空穴带正电。

在本征半导体中，电子与空穴总是成对出现的，它们被称为电子空穴对。

如果在本征半导体两端加上外电场，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子将产生定向移动，形成电子电流；一是由于空穴的存在，价电子将按一定的方向依次填补空穴，亦即空穴也会产生定向移动，形成空穴电流。

作业一：定性解释PN结的单向导电性解答：在上课时老师已经讲到：“在PN结没有外加电压时，PN结中载流子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡，所以通过PN结的总电流为零。

”此时扩散电流=漂移电流，参考图如下图所示：加正向电压时，即正偏——电源正极接P区，负极接N区，外电场的方向与内电场方向相反。

外电场削弱内电场→电场力不足以阻止扩散运动→扩散运动加强，漂移运动减弱→多子扩散形成正向电流（与外电场方向一致）。

正向电压由于引起的是多子运动，结电压很低，显示正向电阻很小，称为正向导通。

加反向电压时，即反偏——电源正极接N区，负极接P区，外电场的方向与内电场方向相同。

外电场加强内电场→更大电场力促进漂移运动→漂移运动增强→少子漂移形成反向电流。

由于反向电压引起的漂移运动是由少子形成，数量很少，所以电流很小，可以忽略不计，结电压近似等于电源电压，显示反向电阻很大，称为反向截止。

故PN结具有单向导电性。

作业二：根据给出的数据，验证摩尔定律解答:用T表示Transistor count，P表示Process，用A表示Area，用D表示Date of introduction我们假设Transistor count每x年增加一倍，则,两边同时取对数可得由此可见，函数为一次函数关系，且斜率为。

根据这个公式，我对T,P,A 分别去了对数，利用数学软件分析出了一些数据如下图所示：由图可知，函数 的斜率为0.33528，而 = 0.69314,所以x=2.06737，符合摩尔定理；而函数 的斜率为0.06097，远小于0.33528，且曲线波动较大，难以拟合，故不符合摩尔定理；对于函数 而言，其斜率应该为，对应为-0.14835，所以x=4.67233，即大概每4,5年Process 变为原来的一半。

19701975198019851990199520002005201020152020510152025l n (T )/l n (P )/l n (A )Date of introduction。

简述pn结内建电场的形成过程一个二端的PN结，它不仅具有单向导电性，而且还具有内建电场，这种现象叫做pn结的单向导电性。

pn结的单向导电性是因为pn结具有内建电场，在电场作用下，处于电场中的两个pn结，在它们的原子周围都形成电荷的聚集。

电场愈强，则空间电荷聚集得愈多，两个pn结所形成的内建电场也就愈大。

同时，空间电荷的存在也增加了pn结的表面自由能，它促使电子尽可能地在表面积累，从而使单向导电性能得以发挥。

因此，在较强的电场作用下， pn结具有单向导电性。

(1)正偏pn结内建电场的形成在结的两边施加反向电压，可以观察到pn结呈现明显的偏转，这就是在pn结内建电场。

当给pn结加上的电压足够高时，电场强度超过它的非静电稳定电场强度，于是pn结中形成正电荷，称为阴极，两侧形成相反电荷的积累区，称为阳极，正、负电荷的电势差就是pn结的内建电场。

( 2)反偏pn结内建电场的形成同理，如果把pn结反过来加上一个与pn结内电场方向相反的电压，就会发现pn结又将呈现出截止状态。

为什么加反向电压就能够消除pn结的内建电场呢?其原因是pn结的内建电场是由于外电场和pn结自建电场共同作用引起的。

为什么pn结两端施加电压时就会产生内建电场呢?原因是pn结具有内建电场， pn结在电场作用下，处于电场中的两个pn结，在它们的原子周围都形成电荷的聚集，电场愈强，则空间电荷聚集得愈多，两个pn结所形成的内建电场也就愈大。

同时，空间电荷的存在也增加了pn结的表面自由能，它促使电子尽可能地在表面积累，从而使单向导电性能得以发挥。

因此，在较强的电场作用下， pn结具有单向导电性。

但是，这种电场力随着外加电压的升高而增大。

因此，随着外加电压的提高， pn结的单向导电性将受到破坏，所以， pn 结的内建电场不能无限制地被利用，只有在某一临界电压下，才能充分发挥pn结的单向导电性，即pn结具有内建电场的临界值。

实验证明： pn结的内建电场最容易达到的临界电压值约为3。

半导体现在市场上的半导体大多是硅元素.但是半导体大多数都在过度元素部分找,详情见元素周期表。

不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。

本征半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，因此，不宜直接用它制造半导体器件。

半导体器件多数是用含有一定数量的某种杂质的半导体制成。

根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体两种。

什么是N型半导体？P型半导体？在纯净的硅晶体(本征半导体)中掺入五价元素（如磷，锑，砷等），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。

在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼、铟等。

），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体。

主要的掺杂方法有离子注入和热扩散原理P型半导体硼元素最外层只有三个电子，而硅最外层有四个电子，硼掺进去后，与硅就不能形成稳定的8个电子的结构，形成一个空穴。

这个空穴相当于一个正电子。

可在导体中运动。

在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的3价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子，占据晶格上的某些位置，如图Z0104所示。

由图可知，硼原子的3个价电子分别与其邻近的3个硅原子中的3个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另1个硅原子的共价键中则缺少1个电子，出现了1个空穴。

这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使3价的硼原子获得了1个电子而变成负离子。

同时，邻近共价键上出现1个空穴。

由于硼原子起着接受电子的作用，故称为受主原子，又称受主杂质。

在本征半导体中每掺入1个硼原子就可以提供1个空穴，当掺入一定数量的硼原子时，就可以使半导体中空穴的数目远大于本征激发电子的数目，成为多数载流子（多子），而电子则成为少数载流子（少子）。

显然，参与导电的主要是空穴，故这种半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。

P型半导体中，空穴浓度远大于自由电子浓度。

空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。

空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。

掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。