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（英語：pn junction）
基本介紹
- 中文名：PN接面
- 類型：半導體
- 發明時間：1948年
- 發明者：威廉·肖克利
簡介,歷史,原理,P型半導體,電子與電洞的移動,擴散運動,PN接面的形成,平衡狀態,製造工藝,性質,單嚮導電性,伏安特性,
簡介
PN結是電子技術中許多元件，例如半導體二極體、雙極性電晶體的物質基礎。
歷史
1948年，威廉·肖克利的論文《半導體中的P-N結和P-N結型電晶體的理論》發表於貝爾實驗室內部刊物。肖克利在1950年出版的《半導體中的電子和電洞》中詳盡地討論瞭結型電晶體的原理，與約翰·巴丁、沃爾特·布喇頓共同發明的的點接觸型電晶體所採用的不同的理論。
原理
摻入少量雜質磷元素（或銻元素）的矽晶體（或鍺晶體）中，由於半導體原子（如矽原子）被雜質原子取代，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。於是，N型半導體就成為了含電子濃度較高的半導體，其導電性主要是因為自由電子導電。
P型半導體
摻入少量雜質硼元素（或銦元素）的矽晶體（或鍺晶體）中，由於半導體原子（如矽原子）被雜質原子取代，硼原子外層的三個外層電子與周圍的半導體原子形成共價鍵的時候，會產生一個「電洞」，這個電洞可能吸引束縛電子來「填充」，使得硼原子成為帶負電的離子。這樣，這類半導體由於含有較高濃度的「電洞」（「相當於」正電荷），成為能夠導電的物質。
電子與電洞的移動
漂移運動
上面敘述的兩種半導體在外加電場的情況下，會作定向運動。這種運動成為電子與電洞（統稱「載子」）的「漂移運動」，並產生「漂移電流」。
根據靜電學，電子將作與外加電場相反方向的運動，並產生電流（根據傳統定義，電流的方向與電子運動方向相反，即和外加電場方向相同）；而電洞的運動方向與外加電場相同，由於其可被看作是「正電荷」，將產生與電場方向相同的電流。
兩種載子的濃度越大，所產生的漂移電流越大。
擴散運動
由於某些外部條件而使半導體內部的載子存在濃度梯度的時候，將產生擴散運動，即載子由濃度高的位置向濃度低的位置運動，最終達到動態平衡狀態。
PN接面的形成
採用一些特殊的工藝（見本條目後面的段落），可以將上述的P型半導體和N型半導體緊密地結合在一起。在二者的接觸面的位置形成一個PN接面。
P型、N型半導體由於分別含有較高濃度的「電洞」和自由電子，存在濃度梯度，所以二者之間將產生擴散運動。即：
- 自由電子由N型半導體向P型半導體的方向擴散
- 電洞由P型半導體向N型半導體的方向擴散
載子經過擴散的過程後，擴散的自由電子和電洞相互結合，使得原有的N型半導體的自由電子濃度減少，同時原有P型半導體的電洞濃度也減少。在兩種半導體中間位置形成一個由N型半導體指向P型半導體的電場，成為「內電場」。
平衡狀態
在內電場形成以後，載子的擴散運動和漂移運動互相制約，最後達到動態平衡。
製造工藝
- 合金法
- 擴散法
- 離子注入法
- 磊晶生長法
性質
單嚮導電性
順向偏壓
若施加在P區的電壓高於N區的電壓，此時PN結外電場與內電場方向相反，但由於內電場較為微弱，PN接面內的多數載子的擴散運動將強於少數載子的漂移運動，從而產生從P型半導體指向N型半導體的「擴散電流」。
這種狀態稱為「順向偏壓」，電流由P區流向N區，稱為「順向電流」。
逆向偏壓
若施加在N區的電壓高於P區的電壓，將形成極其微弱的漂移電流，並且這個電流不隨逆向電壓的增大而變化。
這種狀態稱為PN結「逆向偏壓」，且產生的極其微弱、不隨外加電壓改變的電流稱為「逆向飽和電流」。由於逆向飽和電流很小，PN接面處於截止狀態，所以外加逆向電壓時，PN接面相當於斷路。
電流由N區流向P區，稱為逆向電流。當加在PN結上的逆向電壓超過一定數值時，PN結的電阻突然減小，逆向電流急劇增大，這種現象稱為擊穿。電擊穿擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿且都是可逆的。發生熱擊穿後，PN結不再具有單嚮導電性，導致二極體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。
逆向擊穿
當逆向電壓逐漸增大時，逆向飽和電流不變。但是當逆向電壓達到一定值時，PN接面將被擊穿。在PN接面中加逆向電壓， 如果逆向電壓過大， 位於PN接面中的載子會擁有很大的動能， 足以和中性粒子碰撞使中性粒子分離出價電子而產生電洞-電子對。這樣會導致PN接面逆向電流的急劇增大，發生PN接面的擊穿， 因為被彈出的價電子又可能和其他中性粒子碰撞產生連鎖反應， 類似於雪崩，這樣的逆向擊穿方式成為突崩潰（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。
伏安特性
PN接面的最大特性為單嚮導電性，反映到伏安特性曲線如右圖。當順向電壓達到一定值時，PN接面將產生順向偏壓，PN接面被導通（圖中藍色部分）；當逆向電壓在一定範圍內時，PN接面產生微弱的逆向飽和電流（圖中綠色部分）；當逆向電壓超過一定值時，PN接面被擊穿。
勢壘電容
當外加電壓的時候，空間電荷區（也稱為「空乏層」）的寬度發生變化，將會引起其電荷量的變化。從而產生等效的電容效應，即「勢壘電容」Cb。它與PN接面面積、空乏層寬度、半導體介電常數和外加電壓都有關係。
擴散電容
當外加電壓變化時，擴散區（參見上文所述擴散運動）內電荷的積累和釋放過程將產生等效於電容的充放電過程，故等效於一個「擴散電容」Cd。
