PN 結及其形成原理

田金省

摘 要：在半導體物理中，PN結估計是最基本同時也是最重要的半導體結構了。但是很多人在剛開始接觸的時候，理解PN結的形成過程和工作原理是有一定難度的。該篇文章主要就這兩方面做了詳細的介紹，希望有助于加深對其的理解。同時文中就PN結的典型特性——單向導電性做了詳細闡述。

關鍵詞：PN結;結構;半導體;原理

PN結——采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區稱為PN結（英語：PN junction）。PN結具有單向導電性，是電子技術中許多器件所利用的特性，例如半導體二極管、雙極性晶體管的物質基礎。

雜質半導體

N型半導體（N為Negative的字頭，由于電子帶負電荷而得此名）：摻入少量雜質磷元素（或銻元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導體原子（如硅原子）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。于是，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（P為Positive的字頭，由于空穴帶正電而得此名）：摻入少量雜質硼元素（或銦元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導體原子（如硅原子）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“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電的離子。這樣，這類半導體由于含有較高濃度的“空穴”（“相當于”正電荷），成為能夠導電的物質。

PN結的形成：

PN結是由一個N型摻雜區和一個P型摻雜區緊密接觸所構成的，其接觸界面稱為冶金結界面。在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導體，另一邊形成P型半導體，我們稱兩種半導體的交界面附近的區域為PN結。

在P型半導體和N型半導體結合后，由于N型區內自由電子為多子空穴幾乎為零稱為少子，而P型區內空穴為多子自由電子為少子，在它們的交界處就出現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型區向P型區擴散，也有一些空穴要從P型區向N型區擴散。它們擴散的結果就使P區一邊失去空穴，留下了帶負電的雜質離子，N區一邊失去電子，留下了帶正電的雜質離子。開路中半導體中的離子不能任意移動，因此不參與導電。這些不能移動的帶電粒子在P和N區交界面附近，形成了一個空間電荷區，空間電荷區的薄厚和摻雜物濃度有關。在空間電荷區形成后，由于正負電荷之間的相互作用，在空間電荷區形成了內電場，其方向是從帶正電的N區指向帶負電的P區。顯然，這個電場的方向與載流子擴散運動的方向相反，阻止擴散。

另一方面，這個電場將使N區的少數載流子空穴向P區漂移，使P區的少數載流子電子向N區漂移，漂移運動的方向正好與擴散運動的方向相反。從N區漂移到P區的空穴補充了原來交界面上P區所失去的空穴，從P區漂移到N區的電子補充了原來交界面上N區所失去的電子，這就使空間電荷減少，內電場減弱。因此，漂移運動的結果是使空間電荷區變窄，擴散運動加強。

最后，多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡。在P型半導體和N型半導體的結合面兩側，留下離子薄層，這個離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。PN結的內電場方向由N區指向P區。在空間電荷區，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

單向導電性：

（1）PN結加正向電壓時導通

如果電源的正極接P區，負極接N區，外加的正向電壓有一部分降落在PN結區，PN結處于正向偏置。電流便從P型一邊流向N型一邊，空穴和電子都向界面運動，使空間電荷區變窄，電流可以順利通過，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是，內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現低阻性。

（2）PN結加反向電壓時截止

如果電源的正極接N區，負極接P區，外加的反向電壓有一部分降落在PN結區，PN結處于反向偏置。則空穴和電子都向遠離界面的方向運動，使空間電荷區變寬，電流不能流過，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區的少子在內電場作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結呈現高阻性。

在一定的溫度條件下，由本征激發決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流;PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。

上文提到PN結是半導體二極管、雙極性晶體管的物質基礎，可以說該結構存在于集成電路器件的各個角落，它是最基本的結構，但是卻占據了半導體物理的半壁江山。透徹的理解其結構對理解其它半導體器件有著較大的幫助。學習是一個反復思考的過程，思考的多了也就自然明了了。希望大家在該文章中有著自己的理解，從中找到對自己有幫助的東西。