PN结是如何形成的？什么是pn结二极管？

p-n结是半导体内部n型和p型半导体材料之间的界面或边界。固态电子学的关键之一是P-N结的性质。例如，PN结二极管是最简单的半导体器件之一，其特性是仅在一个方向上传递电流。半导体的p侧或正侧有过多的空穴，n侧或负极有过量的电子。为什么存在pn结？以及它是如何工作的？什么是p-n结二极管？
I. PN 结基本型
1.1 PN半导体
N型半导体
在硅晶体（或锗晶体）中掺杂了少量的杂质磷元素（或锑元素），由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，在磷原子外层的五个外层电子中，有四个与周围的原子形成共价键，多余的电子几乎是未结合的，更容易成为自由电子。因此，N型半导体已成为电子浓度较高的半导体，其导电性主要是由于自由电子的传导。

P型半导体
在硅晶体（或锗晶体）中掺杂了少量的杂质硼元素（或铟元素），由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，外层的三个电子与硼原子外层的一个半导体原子形成共价键，此时产生“空穴”。这个空穴可能会吸引结合的电子来“填充”，使硼原子成为带负电的离子。这样，这种类型的半导体具有更高浓度的“空穴”（“对应于”正电荷），并成为能够导电的物质。
1.2 PN结审查
P-N结是通过连接n型和p型半导体材料而形成的，这是一种允许一个方向的电流并阻止另一个方向的电流的两端器件。

图1.PN结是如何形成的
在硅晶圆上，使用不同的掺杂工艺在一侧形成N型半导体，在另一侧形成P型半导体。我们将两个半导体界面附近的区域称为PN结。
P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区域中的自由电子较多，空穴较少，因此电子和空穴之间的浓度差出现在它们的结处。由于自由电子和空穴浓度的差异，一些电子会从N型区域扩散到P型区域，一些空穴会从P型区域扩散到N型区域。由于它们的扩散，P区失去空穴，留下带负电荷的杂质离子，N区失去电子，留下带正电荷的杂质离子。半导体中的离子不能在开路中任意移动，因此它们不参与传导。这些不可移动的带电粒子在P区和N区之间的界面附近形成一个空间电荷区。空间电荷区的厚度与掺杂剂的浓度有关。

空间电荷区形成后，由于正负电荷的相互作用，在空间电荷区形成内部电场，其方向是从带正电的N区到带负电的P区。显然，这种电场的方向与载流子扩散的方向相反，载流子扩散方向用于防止扩散。
另一方面，该电场会导致N区域中的少数载流子空穴漂移到P区域，P区域中的少数载流子电子漂移到N区域。漂移运动的方向与扩散运动的方向正好相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原界面上P区丢失的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原界面上N区丢失的电子，使电荷减少，内部电场减弱。因此，漂移运动的结果是缩小空间电荷区域并加强扩散运动。
最后，多载流子的扩散和少数载流子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结面两侧，留下了薄离子层。由该薄离子层形成的电荷区称为PN结。PN结点的内部电场方向从N到P。它也被称为耗尽层，因为缺乏电子。

图2.PN 结耗尽区
二、PN结特性
2.1 单向电导率
（1） 施加正向电压时，PN结导通。
如果电源的正极连接到P区，负极连接到N区，则施加的正向电压的一部分在PN结区，此时PN结处于正向偏置状态。电流从P流向N，空穴和电子移动到界面，从而缩小了空间电荷面积。此外，电流可以顺利通过。它的方向与PN结中的电场方向相反，从而削弱了内部电场。结果，内部电场对多顿扩散运动的阻力减弱，扩散电流增加。扩散电流远大于漂移电流，漂移电流的影响可以忽略不计，PN结处于低电阻状态。
（2） 施加反向电压时，PN结被切断。
如果电源的正极连接到N区，则负极连接到P区，并且施加的反向电压的一部分施加在PN结区，并且处于反向偏置状态。然后空穴和电子远离界面，这扩大了空间电荷区域，电流无法流动。方向与PN结中的电场方向相同，从而加强了内部电场。内部电场对多吨扩散运动的阻力增强，扩散电流大大降低。此时，PN结区少数载流子在内部电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流。扩散电流可以忽略不计，PN结表现出高电阻。
2.2 反向击穿
当对PN结施加反向电压时，空间电荷区域变宽，该区域中的电场增强。当反向电压增加到一定水平时，反向电流会突然增加。如果外部电路不能限制电流，电流会很大，以至于会烧毁PN结。此时，称为击穿电压。有两种基本的击穿方式，即隧道击穿（也称为齐纳击穿）和雪崩击穿。前者的击穿电压小于6V，具有负温度系数，后者的击穿电压大于6V，温度系数为正。
2.3 伏安特性
PN结的伏安特性如图3所示，直观地显示了单向电导率。

图3.PN 结的伏安曲线
伏安特性显示
哪里我D是通过PN结的电流，VD是PN结两端施加的电压，并且VT是温度的电压当量。
2.4 电容特性
当对PN结施加反向电压时，空间电荷区域中的正电荷和负电荷构成电容器件。其电容随外加电压而变化，主要包括势垒电容（CB）和扩散电容（CD）。它们都是非线性电容器。
三、典型实例：晶体管PN结
晶体管是现代电子产品的基本组成部分之一。在二极管教程中，我们看到简单的二极管由两块半导体材料组成，形成一个简单的pn结。而晶体管是通过背靠背连接两个二极管而形成的三端固态器件。因此，它有两个PN结。
晶体管NPN型和PNP型结

晶体管工作状态
晶体管的工作原理类似于电子开关。它可以打开和关闭电流。晶体管背后的基本思想是，它允许您通过改变流经第二个通道的较小电流的强度来控制通过一个通道的电流。

1）截止状态（C）：基极电流为零。
2）放大状态（A）：发射机结正向偏置（即电压方向为P-》N），集电极结反向偏置。
3） 饱和状态（S）：发射极结和集电极结均为正向偏置。

在图（a）中，当NPN晶体管的b处没有电压输入时，c和e之间没有电流流动，三极管处于截止状态。
在图（b）中，当正电压输入到NPN晶体管的b时，e的N区的负电子被b中P区的正电子吸引。 由于发电厂的作用，它们冲向（扩散）到基区，然而，只有部分负电子与正电子碰撞（复合）产生基极电流， 另一部分负电子聚集在集电极结附近。由于电场的作用，聚集在集电极结中的负电子通过（漂移）集电极结。到达集电极区域后，它与聚集在c（N型半导体端子）中的正电子碰撞，产生集电极电流。
由此可见，基极电流越大，集电极电流越大。也就是说，当一个小电流输入集电极时，集电极可以获得大电流，现在晶体管处于放大状态。

需要注意的是，当基极电流达到一定水平时，集电极电流不再上升。此时，晶体管失去了电流放大效应，集电极和发射极之间的电压非常小。集电极和发射极等效于开关的导通状态。此时，晶体管处于饱和状态。
PNP晶体管的工作原理与NPN晶体管相同，只是偏置电压和电流的方向相反，电子和空穴的作用颠倒了。PNP晶体管使用Veb来控制从发射极区域通过基区入射到集电极区域的正电子，而NPN晶体管使用Vbe来控制从发射极区域通过基区进入集电极区域的负电子。
此外，在低功耗设计中，晶体管控制电路会对电路产生一定的影响。无论是NPN还是PNP，晶体管的PN结都会有漏电流。当I/O控制基极电压时，为了稳定基极电压，一般在NPN开关电路的基极上加一个下拉电阻。在PNP开关电路的设计中，基极增加了一个下拉电阻。上拉和下拉电阻根据控制芯片、晶体管和电路电压进行选择。

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