PN结
一塊一側摻雜成P型半導體，另一側參雜成N型半導體，中間二者相連的接觸面稱為PN結（英语：pn junction）。 PN結是電子技術中許多元件，例如半導體二極管、雙極性晶體管的物質基礎。
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历史 [编辑]
1948年，威廉·肖克利的論文《半導體中的P-N結和P-N結型晶體管的理論》發表於貝爾實驗室內部刊物。肖克利在1950年出版的《半導體中的電子和空穴》中詳盡地討論瞭結型晶體管的原理，與約翰·巴丁、沃爾特·布喇頓共同發明的的點接觸型晶體管所採用的不同的理論。
原理 [编辑]
N型半导体 [编辑]
掺入少量杂质磷元素（或锑元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子。于是，N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体，其导电性主要是因为自由电子导电。
P型半导体 [编辑]
掺入少量杂质硼元素（或铟元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”（“相当于”正电荷），成为能够导电的物质。
電子與空穴的移動 [编辑]
漂移运动 [编辑]
上面叙述的两种半导体在外加电场的情况下，会作定向运动。这种运动成为电子与空穴（统称“载流子”）的“漂移运动”，并产生“漂移电流”。
根据静电学，电子将作与外加电场相反方向的运动，并产生电流（根据传统定义，电流的方向与电子运动方向相反，即和外加电场方向相同）；而空穴的运动方向与外加电场相同，由于其可被看作是“正电荷”，将产生与电场方向相同的电流。
两种载流子的浓度越大，所产生的漂移电流越大。
扩散运动 [编辑]
由于某些外部条件而使半导体内部的载流子存在浓度梯度的时候，将产生扩散运动，即载流子由浓度高的位置向浓度低的位置运动，最终达到动态平衡状态。
PN结的形成 [编辑]
采用一些特殊的工艺（见本条目后面的段落），可以将上述的P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起。在二者的接触面的位置形成一个PN结。
P型、N型半导体由于分别含有较高浓度的“空穴”和自由电子，存在浓度梯度，所以二者之间将产生扩散运动。即：
- 自由电子由N型半导体向P型半导体的方向扩散
- 空穴由P型半导体向N型半导体的方向扩散
载流子经过扩散的过程后，扩散的自由电子和空穴相互结合，使得原有的N型半导体的自由电子浓度减少，同时原有P型半导体的空穴浓度也减少。在两种半导体中间位置形成一个由N型半导体指向P型半导体的电场，成为“内电场”。
平衡状态 [编辑]
在内电场形成以后，载流子的扩散运动和漂移运动互相制约，最后达到动态平衡。
制造工艺 [编辑]
- 合金法
- 擴散法
- 離子注入法
- 外延生長法
性质 [编辑]
單向導電性 [编辑]
正向偏置 [编辑]
若施加在P區的電壓高於N區的電壓，此时PN結外电场与内电场方向相反，但由于内电场较为微弱，PN结内的多数载流子的扩散运动将强于少数载流子的漂移运动，从而产生从P型半导体指向N型半导体的“扩散电流”。
这种状态称为“正向偏置”，電流由P區流向N區，稱為“正向電流”。
反向偏置 [编辑]
若施加在N區的電壓高於P區的電壓，将形成极其微弱的漂移电流，并且这个电流不随反向电压的增大而变化。
这种状态称为PN結“反向偏置”，且产生的极其微弱、不随外加电压改变的电流称为“反向饱和电流”。由于反向饱和电流很小，PN结处于截止状态，所以外加反向电压时，PN结相当于断路。
電流由N區流向P區，稱為反向電流。當加在PN結上的反向電壓超過一定數值時，PN結的電阻突然減小，反向電流急劇增大，這種現象稱為擊穿。电击穿擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿且都是可逆的。發生热擊穿後，PN結不再具有單向導電性，導致二極管發生不可恢復的損壞。利用齊納擊穿製作的穩壓二極體，稱為齊納二極體。
反向击穿 [编辑]
当反向电压逐渐增大时，反向饱和电流不变。但是当反向电压达到一定值时，PN结将被击穿。在PN结中加反向电压， 如果反向电压过大， 位于PN结中的载流子会拥有很大的动能， 足以和中性粒子碰撞使中性粒子分离出价电子而产生空穴-电子对。这样会导致PN结反向电流的急剧增大，发生PN结的击穿， 因为被弹出的价电子又可能和其他中性粒子碰撞产生连锁反应， 类似于雪崩，这样的反向击穿方式成为雪崩击穿（Avalanche breakdown）。參雜濃度越低所需電場越強。當參雜濃度非常高時， 在PN結兩端加入弱電場就會使中性粒子中的價電子脫離原子的束縛， 從而成為載流子。導致PN結的擊穿。這樣的擊穿被稱作齊納擊穿（Zener breakdown）。參雜濃度越高所需要的電場越弱。一般小於6V的電壓引起的是齊納擊穿， 大於6V的引起的是雪崩擊穿。[1]
伏安特性 [编辑]
PN结的最大特性为单向导电性，反映到伏安特性曲线如右图。当正向电压达到一定值时，PN结将产生正向偏置，PN结被导通（图中蓝色部分）；当反向电压在一定范围内时，PN结产生微弱的反向饱和电流（图中绿色部分）；当反向电压超过一定值时，PN结被击穿（图中黄色部分）。
PN结的电容效应 [编辑]
在PN结（两种半导体的交界处）会因为外加电压产生一定电荷积累，即结电容（
）效应。根据成因分为“势垒电容”（
）和“扩散电容”（
）。结电容满足：
势垒电容 [编辑]
当外加电压的时候，空间电荷区（也称为“耗尽层”）的宽度发生变化，将会引起其电荷量的变化。从而产生等效的电容效应，即“势垒电容”
。它与PN结面积、耗尽层宽度、半导体介电常数和外加电压都有关系。
扩散电容 [编辑]
当外加电压变化时，扩散区（参见上文所述扩散运动）内电荷的积累和释放过程将产生等效于电容的充放电过程，故等效于一个“扩散电容”。
应用 [编辑]
由于PN结的单向导电性，可以利用它作为基础制造半导体二极管、三极管等电子元件，例如常用的稳压二极管、光电二极管、发光二极管（LED）等。
相关条目 [编辑]
参考文献 [编辑]
- ^ 冯军，谢嘉奎. 电子线路：线性部分（第五版）. 北京: 高等教育出版社. 2010.
- 赵凯华、陈熙谋. 《新概念物理教程·电磁学》（第二版）. 高等教育出版社. ISBN 9787040202021.
- 熊年禄 等. 《模拟电路》. 北京邮电大学出版社. ISBN 978-7-5635-2227-9.
- David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. Fundamentals of Physics Extended. Wiley. ISBN 9780471758013.
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