pn结的工作原理

pn结工作原理

1.2.1 PN结的形成 

    在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 

       因浓度差 

           ↓

     多子的扩散运动®由杂质离子形成空间电荷区 

                         ↓ 

             空间电荷区形成形成内电场 

               ↓                   ↓ 

   内电场促使少子漂移        内电场阻止多子扩散 

    最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。PN结形成的过程可参阅图01.06。

图01.06 PN结的形成过程（动画1-3）如打不开点这儿（压缩后的）

1.2.2 PN结的单向导电性 

   PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。 

   如果外加电压使： 

   PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏； 

   PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏。 

(1) PN结加正向电压时的导电情况 

PN结加正向电压时的导电情况如图01.07所示。 

    外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。

图01.07 PN结加正向电压时的导电情况(动画1-4),如打不开点这儿（压缩后的） 

(2) PN结加反向电压时的导电情况 

PN结加反向电压时的导电情况如图01.08所示。 

    外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。 

    在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。 

图01.08 PN结加反向电压时的导电情况(动画1-5),如打不开点这儿（压缩后的） 

1.2.3 PN结的电容效应 

   PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容C_B，二是扩散电容C_D。 

(1) 势垒电容C_B 

   势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图01.09。

 
图01.09 势垒电容示意图 

(2) 扩散电容C_D 

   扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图01.10所示。 

   当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。