关于PN结以及PN结的简单特性分享-KIA MOS管

关于PN结-半导体简介、概念

半导体（semiconductor）从语义上理解就是电导率介于导体与绝缘体之间的物质。

我们之所以去特别关注这种物质，是因为在掺杂微量（约万分之一）的杂质后就可以显著改变它的导电性能。利用这个性质我们可以方便地得到各种电导率的物质。

那么什么是半导体呢？价电子少的元素，大多是金属，导电性能优良；价电子多的元素大多组成非金属，接近绝缘体。在两者间4价元素（如硅元素）导电性能也介于两者之间。

载流子（carrier）：意即电流的载体，其自由运动等效于电流。仅当物质内部存在有载流子时，物质才能导电。导电性能取决于载流子的数目和运动速度。（不难从电流的定义得知）

本征半导体

本征半导体（Intrinsic semiconductor）或称无杂质半导体、本质半导体、纯半导体、I型半导体，是指未掺入杂质且无晶格缺陷的的半导体。

其有如下特性：

①在热力学温度0K时，排除光照与电磁场等外界影响，价电子被共价键束缚，不能成为自由电子。此时本征半导体无载流子，相当于绝缘体。

②其他温度下，由于热激发，一些价电子会获得足够的能量成为自由电子（应满足玻尔兹曼分布），这时共价键上会留下一个空位，我们称其为空穴（positive hole）。此时的本征半导体具有导电性。

空穴也是一种载流子，我们从硅单晶的角度去理解：当组成共价键的一个电子脱离束缚，相邻共价电子对中的价电子有可能（有多大呢？）会离开它原来所在的共价键，来填补这个空穴。

以此类推，整体上就表现出空穴的移动。我们可以把空穴看作一种与电子等电量，带正电的粒子。

在外加电场的作用下，相邻价电子会更容易去填补空穴。整体上表现出的就是空穴沿电场方向运动，这也符合正电粒子在电场中的运动。

本质上空穴的运动还是价电子运动的效果，由于两者异号运动方向又反向，所以电流效果是一致的。

因此本征半导体的载流子有两种——自由电子与空穴。

在本征半导体中，受激产生一个自由电子时，必然相伴产生一个空穴，电子与空穴总是成对出现的。这种现象称为本征激发。

自由电子运动中碰到空穴，两者抵消重新变为共价键的电子，这个过程为前者的反过程，称为复合。在

一定的温度下，最终这两个过程的效果会趋于动态平衡，使得载流子浓度为定值。那么在不同的温度下呢？以硅单晶为例，室温附近每升高8度，硅的载流子浓度增加一倍。

倘若两者浓度不等，我们称浓度大对应的为多子，另一个为少子。

杂质半导体

①N型半导体

在本征硅中掺入微量的5价元素磷，多余出的一个电子不受共价键束缚，不难想见这会导致自由电子的浓度更大。（只需大于磷原子的本就较低的电离能，室温即可满足）称这类原子为施主杂质，也称N型杂质。

②P型半导体

在本征硅中掺入微量的3价元素硼，这会导致相较于本征半导体缺少一个成键电子（硼原子的电离能也很小，室温即可满足），即多出一个空穴。称这类原子为受主杂质，也称P型杂质。

在杂质半导体中，少子浓度远小于多子浓度。多子浓度基本等于杂质浓度。杂质对半导体导电性能影响很大，掺入0.01%的杂质，会使载流子浓度增加约10000倍。

从产生机理来看，不难得知少子浓度受温度影响较大，多子浓度几乎不受温度影响。

而当我们把P型杂质N型杂质同时混入，两者会起到一定的中和作用，哪一个占主导就要看相对含量多少了。

PN结特性-PN结概念

在一个本征半导体上，我们一边掺入P型杂质，另一边掺入N型杂质。在两者交界面附近，便会形成一个PN结。值得指出的是，把一块N型半导体与一块P型半导体放在一起并不能形成PN结。因为其交界面上并不是完整的单晶体。

对于一个PN结，其附近会发生自由电子和空穴的扩散。N区的自由电子扩散到P区同空穴相抵后仍有一定数量，使得边界P侧的离子带负电。

同理，N区侧的离子将带正电。所谓的PN结就是交界面附近形成的这样一个空间电荷区。最终其中会达到平衡，剩下的全是不能移动、数目相等的正负离子，而载流子因扩散和复合而消耗殆尽。故其又称耗尽层。

这种扩散可以一直进行下去直至两边全形成PN结吗？答案是不能，由于PN结内扩散的结果，形成的内电场对载流子的作用同载流子的扩散方向是反向的。

载流子在内电场的作用下产生漂移运动。扩散运动使得空间电荷区增宽、内电场增强，这反过来导致扩散阻力的增大。于是两者最终会达到一种动态平衡。

由于内电场的作用，N区的电势高于P区电势，两区之间存在电位差，N区电子扩散到P区会损耗能量。因此，空间电荷区又称势垒区或阻挡层。

外加电压对PN结影响

①外加正向电压

所谓正向就是正极接P区，负极接N区。称为正向偏压。这种情况下使耗尽层变窄，更利于扩散运动，当外加电压大于内电压时，将打破结的平衡，产生由N流向P的扩散电流。我们称之为正向电流。

②外加反向电压

我们将①中的情形全都反过来即可。所以说会存在反向电流？

nope.

因为这时外加电压使耗尽区增宽，而PN结内又是一个稳定的动态平衡结构。因此理论上反向电流是不可能通过的。

PN结的这种单向导电性不免让我们想到一种元件-二极管

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