PN結(jié)簡介

　　采用不同的摻雜工藝，通過擴(kuò)散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)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(jié)（英語：PN junction）。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕请娮蛹夹g(shù)中許多器件所利用的特性，例如半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管的物質(zhì)基礎(chǔ)。

PN結(jié)百科

　　采用不同的摻雜工藝，通過擴(kuò)散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)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(jié)（英語：PN junction）。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，是電子技術(shù)中許多器件所利用的特性，例如半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管的物質(zhì)基礎(chǔ)。

　　原理

　　雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體（N為Negative的字頭，由于電子帶負(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體就成為了含電子濃度較高的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性主要是因?yàn)樽杂呻娮訉?dǎo)電。［1］ P型半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)電的離子。這樣，這類半導(dǎo)體由于含有較高濃度的“空穴”（“相當(dāng)于”正電荷），成為能夠?qū)щ姷奈镔|(zhì)。［2］

　　PN結(jié)的形成PN結(jié)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(gòu)成的，其接觸界面稱為冶金結(jié)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(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，我們稱兩種半導(dǎo)體的交界面附近的區(qū)域?yàn)镻N結(jié)。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)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(kuò)散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散。它們擴(kuò)散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負(fù)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(dǎo)體中的離子不能任意移動，因此不參與導(dǎo)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(guān)。在空間電荷區(qū)形成后，由于正負(fù)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(fù)電的P區(qū)。顯然，這個電場的方向與載流子擴(kuò)散運(yùn)動的方向相反，阻止擴(kuò)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(yùn)動的方向正好與擴(kuò)散運(yùn)動的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補(bǔ)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(bǔ)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(yùn)動的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄，擴(kuò)散運(yùn)動加強(qiáng)。最后，多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，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(jié)。PN結(jié)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(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。制造PN結(jié)的方法有：制造異質(zhì)結(jié)通常采用外延生長法。（1）外延方法：突變PN結(jié)；（2）擴(kuò)散方法：緩變PN結(jié)；

　?。?）離子注入方法：介于突變結(jié)與緩變結(jié)之間；

　　PN 結(jié)的擊穿機(jī)理

　　PN 結(jié)構(gòu)成了幾乎所有半導(dǎo)體功率器件的基礎(chǔ)，目前常用的半導(dǎo)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(jié)的擊穿電壓，因此，PN 結(jié)反向阻斷特性的優(yōu)劣直接決定了半導(dǎo)體功率器件的可靠性及適用范圍。在 PN結(jié)兩邊摻雜濃度為固定值的條件下，一般認(rèn)為除 super junction 之外平行平面結(jié)的擊穿電壓在所有平面結(jié)中具有最高的擊穿電壓。實(shí)際的功率半導(dǎo)體器件的制造過程一般會在 PN 結(jié)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(jié)的擊穿電壓，使功率半導(dǎo)體器件的擊穿電壓降低。由此產(chǎn)生了一系列的結(jié)終端技術(shù)來消除或減弱球面結(jié)或柱面結(jié)的曲率效應(yīng)，使實(shí)際制造出的 PN 結(jié)的擊穿電壓接近或等于理想的平行平面結(jié)擊穿電壓。

　　當(dāng) PN 結(jié)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(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)，最終達(dá)到耗盡區(qū)載流子數(shù)目激增，PN 結(jié)發(fā)生雪崩擊穿。

　　半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

　　半導(dǎo)體以其導(dǎo)電性能介乎于導(dǎo)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(dǎo)體。

　　金屬導(dǎo)體依靠自由電子導(dǎo)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(dǎo)電。而半導(dǎo)體原子最外層的電子處于半自由狀態(tài)。以常用的半導(dǎo)體材料硅原子結(jié)構(gòu)為例，它有四個價電子，完全純凈的硅晶體結(jié)構(gòu)中，每一個原子與相鄰的四個原子結(jié)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(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)，如右圖所示。半導(dǎo)體一般都具有晶體結(jié)構(gòu)，故半導(dǎo)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)中，相應(yīng)出現(xiàn)了一個電子空位，稱為空穴，由于電子帶負(fù)電荷而原子又是中性的，因此空穴可認(rèn)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(bǔ)其空穴，從而形成電子運(yùn)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(yùn)動。這樣在一定條件下，半導(dǎo)體中出現(xiàn)了兩種帶電運(yùn)動，一種是帶負(fù)電荷的自由電子運(yùn)動；另一種便是帶正電荷的空穴運(yùn)動。在外電場的作用下，電子向電源正極定向運(yùn)動，空穴向電源負(fù)極定向運(yùn)動，于是電路中便形成電流。

　　半導(dǎo)體導(dǎo)電的特點(diǎn)，就是同時存在電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，所以自由電子和空穴都稱為載流子。純凈半導(dǎo)體中載流子總是成對出現(xiàn)，并不斷復(fù)合，在一定條件下達(dá)到動態(tài)平衡，使半導(dǎo)體中載流子的數(shù)量維持恒定。當(dāng)條件改變后，如溫度升高或光照加強(qiáng)，載流子數(shù)量又會增多，使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能增強(qiáng)，故溫度對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能影響很大。

　　純凈半導(dǎo)體一般導(dǎo)電能力是較差的，而在其中加入某種雜質(zhì)后，導(dǎo)電能力即可大大增強(qiáng)，其原因同樣與其共價鍵結(jié)構(gòu)有關(guān)。

　　N型和P型半導(dǎo)體

　　在純凈的半導(dǎo)體中，摻入極微量有用的雜質(zhì)，雜質(zhì)不同，其增加的導(dǎo)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(dǎo)體中自由電子的數(shù)量大大增加，因而加強(qiáng)了原純凈半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。摻入五價元素的半導(dǎo)體，自由電子是導(dǎo)電的主要載流子，稱多數(shù)載流子，而原半導(dǎo)體中的空穴則稱少數(shù)載流子，這種半導(dǎo)體由于電子帶負(fù)電，故稱電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)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(dǎo)體相比，這類半導(dǎo)體主要是空穴導(dǎo)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(rèn)為帶正電，故稱空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體，如上圖b所示。

　　在N型半導(dǎo)體中，摻入五價元素越多，自由電子數(shù)量越多，導(dǎo)電性能越好。同理在P型半導(dǎo)體中，摻入三價元素越多，空穴數(shù)量越多，導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，雖然都有一種多數(shù)載流子，但整個半導(dǎo)體仍是電中性的。

　　PN結(jié)的形成

　　將下圖a的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體采用一定的工藝措施緊密地結(jié)合在一起，由于N區(qū)電子濃度遠(yuǎn)大于P區(qū)，P區(qū)的空穴濃度遠(yuǎn)大于N區(qū)，因此N區(qū)的電子要穿過交界面向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)的空穴也要穿過交界面向N區(qū)擴(kuò)散。擴(kuò)散的結(jié)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(fù)電的原子，形成P區(qū)帶負(fù)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(jié)，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(kuò)散運(yùn)動；同時，內(nèi)電場又使P區(qū)少數(shù)載流子——電子向N運(yùn)動；使N區(qū)少數(shù)載流子—— 空穴向P區(qū)運(yùn)動。這種少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。

　　擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)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(kuò)散是矛盾的主導(dǎo)，隨著擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行，空間電荷區(qū)即PN結(jié)不斷增寬，內(nèi)電場增強(qiáng)，此時擴(kuò)散運(yùn)動減弱，而漂移運(yùn)動越來越強(qiáng)，在一定溫度時，最終擴(kuò)散、漂移運(yùn)動達(dá)到動平衡，PN結(jié)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，PN結(jié)之間再沒有定向電流。

　　PN結(jié)的單向?qū)щ娫?/strong>