PN结的单向导电性特性探讨

（1）N 型半导体

在单晶硅或单晶锗中掺入少量磷，磷原子在硅或锗的晶体点阵中的某些位置上取代硅原子或锗原子。磷原子的外层有5 个价电子，其中的4 个价电子与4 个相邻的硅原子组成共价键，还多余1 个价电子。这个价电子只受磷原子核束缚，比共价键中的价电子受到的束缚力小得多，只要获得很小的能量，就能激发成为自由电子，且不在原子中产生空位。当磷原子的多余电子激发后，磷原子本身因失去1 个电子而成为不能移动的正离子。这种半导体中，自由电子与正离子总是成对出现的。掺入的磷元素越多，则自由电子越多。我们把掺入5 价元素的半导体称为N 型半导体。在N 型半导体中，自由电子的浓度远大于空穴的浓度，这时称自由电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子）。如图7.4 所示，在掺杂半导体中，同本征半导体一样，由于热运动产生自由电子-空穴对，但它所产生的载流子浓度远小于掺杂而产生的自由电子数。

（2）P 型半导体

在单晶硅或单晶锗中掺入少量硼，硼原子外层只有3 个价电子，在与周围4 个硅原子组成共价键时，因缺少1 个价电子而形成空位。当相邻共价键中的价电子获得热振动等能量后，就可能填补这个空位，于是相邻硅原子因缺少1 个价电子而产生空穴，硼原子却因得到了1 个价电子而成为不能移动的负离子。这种半导体中，空穴和负离子也是成对出现的。掺入的硼元素越多，空穴数目就越多。我们把掺入3 价元素的半导体称为P 型半导体。在P 型半导体中，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，这时称空穴为多数载流子（简称多子），自由电子为少数载流子（简称少子），如图7.5 所示。

图7.4　在硅晶体中掺磷产生自由电子

图7.5　硅晶体中掺硼产生空穴

注意：由于自由电子和空穴都是成对出现的，故不论N 型半导体还是P 型半导体都呈电中性，对外不显电性。

（3）PN 结的形成

图7.6 中的P 型半导体和N 型半导体通常称为P 区和N 区，由于P 区存在大量空穴而N区存在大量自由电子，因此出现载流子浓度上的差别，于是产生扩散运动。扩散运动首先在交界面处进行，P 区空穴向N 区扩散，P 区一边靠近交界面处留下不可移动的、带负电的硼离子，形成负空间电荷区（如图7.7 所示，图中⊖表示得到1 个电子的硼离子）。同时N 区中的自由电子向P 区扩散，在N 区一边靠近交界面处留下不可移动的带正电的磷离子，形成正空间电荷区（图7.7 中，⊕表示失去1 个电子的磷离子）。这样在P 区和N 区的交界面两边便形成了一个空间电荷区，这个空间电荷区就是PN 结。空间电荷区内两种不同带电性质的离子建立起空间电荷区内的内电场，显然，内电场的方向是由带正电的N 区指向带负电的P 区。

图7.6　多数载流子的扩散运动

图7.7　平衡状态下的PN 结(www.zuozong.com)

随着扩散运动的进行，内电场不断加强，扩散运动又随着内电场的加强而削弱，因为内电场阻挡着多数载流子的扩散。与此相反的是，内电场对少数载流子的运动却起推动作用，使其分别进入对方区。少数载流子受内电场作用而有规则的运动称为漂移运动。

扩散运动与漂移运动方向相反，随着扩散运动的削弱与漂移运动的加强，最后必然达到动态平衡状态，于是，空间电荷区的宽度也就固定下来。

流过空间电荷区的电流有两种，即多数载流子扩散运动形成的扩散电流（又称正向电流）及少数载流子漂移运动形成的漂移电流（又称反向电流）。瞬间流过空间电荷区截面的净电流则为正向电流和反向电流的代数和，当扩散与漂移达到动态平衡时，净电流为零。

形成空间电荷区的正负离子也称空间电荷。虽然它们都带电，但不能移动，不参与导电，而空间电荷区内的多数载流子又已扩散到对方区并复合掉了，因此空间电荷区内载流子非常少，故空间电荷区呈高阻率。

以上讨论的是PN 结没有外加电压的情况。如果在PN 结两边加上外加电压，情况又如何呢？ 下面将对此进行分析。

（4）PN 结的单向导电性

1）PN 结两边外加正向电压

这是指P 区接外电源正极，N 区接外电源负极。这种接法又称正向偏置，简称正偏，如图7.8 所示。由图可知，正偏时外电场与内电场方向相反。当正向电压足够大时，外电场驱使P区和N 区的多数载流子进入空间电荷区，分别中和空间电荷区内的负空间电荷和正空间电荷，使空间电荷区变窄，即内电场被削弱，这就有利于扩散运动的加强，于是多数载流子顺利通过PN 结，形成较大的正向电流。正向电流包括空穴电流和电子电流两部分，二者载流子极性不同，运动方向相反，电流方向一致。在一定范围内，所加正向电压越高，正向电流越大。正向电流达到一定值时，PN 结呈低阻状态，这种情况称为导通。

2）PN 结两边外加反向电压

这是指P 区接外电源负极，N 区接外电源正极。这种接法又称反向偏置，简称反偏，如图7.9 所示。由图可知，反偏时外电场与内电场方向一致，外电场将空间电荷区两边的P 区和N区中的空穴和自由电子拉走，空间电荷区变宽，内电场增强，这使多数载流子的扩散运动更加难以进行。另一方面。增强的内电场又使少数载流子的漂移运动得到加强，N 区和P 区的少数载流子通过PN 结形成了反向电流。由于少数载流子数量很少，因此反向电流很小，PN 结呈高阻状态，这种情况称为截止。由于少数载流子的激发与温度有关，故温度对反向电流影响很大。

图7.8　PN 结加正向电压

图7.9　PN 结加反向电压

综上所述，PN 结加正向电压时导通，加反向电压时截止，这种特性就是PN 结的单向导电性。