PN结

采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用,将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结(英语:PN junction)。PN结具有单向导电性,是电子技术中许多器件所利用的特性,例如半导体二极管、双极性晶体管的物质基础。

N型半导体(N为Negative的字头,由于电子带负电荷而得此名):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(P为Positive的字头,由于空穴带正电而得此名):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。

PN结是由一个N型掺杂区和一个P型掺杂区紧密接触所构成的,其接触界面称为冶金结界面。

在一块完整的硅片上,用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体,另一边形成P型半导体,我们称两种半导体的交界面附近的区域为PN结。

在P型半导体和N型半导体结合后,由于N型区内自由电子为多子,空穴几乎为零称为少子,而P型区内空穴为多子,自由电子为少子,在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。由于自由电子和空穴浓度差的原因,有一些电子从N型区向P型区扩散,也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。它们扩散的结果就使P区一边失去空穴,留下了带负电的杂质离子,N区一边失去电子,留下了带正电的杂质离子。开路中半导体中的离子不能任意移动,因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近,形成了一个空间电荷区,空间电荷区的薄厚和掺杂物浓度有关。

在空间电荷区形成后,由于正负电荷之间的相互作用,在空间电荷区形成了内电场,其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。显然,这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反,阻止扩散。

另一方面,这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移,使P区的少数载流子电子向N区漂移,漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴,从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子,这就使空间电荷减少,内电场减弱。因此,漂移运动的结果是使空间电荷区变窄,扩散运动加强。

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧,留下离子薄层,这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。

从PN结的形成原理可以看出,要想让PN结导通形成电流,必须消除其空间电荷区的内部电场的阻力。很显然,给它加一个反方向的更大的电场,即P区接外加电源的正极,N区接负极,就可以抵消其内部自建电场,使载流子可以继续运动,从而形成线性的正向电流。而外加反向电压则相当于内建电场的阻力更大,PN结不能导通,仅有极微弱的反向电流(由少数载流子的漂移运动形成,因少子数量有限,电流饱和)。当反向电压增大至某一数值时,因少子的数量和能量都增大,会碰撞破坏内部的共价键,使原来被束缚的电子和空穴被释放出来,不断增大电流,最终PN结将被击穿(变为导体)损坏,反向电流急剧增大。

这就是PN结的特性(单向导通、反向饱和漏电或击穿导体),也是晶体管和集成电路最基础、最重要的物理原理,所有以晶体管为基础的复杂电路的分析都离不开它。比如二极管就是基于PN结的单向导通原理工作的;而一个PNP结构则可以形成一个三极管,里面包含了两个PN结。二极管和三极管都是电子电路里面最基本的元件。

PN结加反向电压时,空间电荷区变宽,区中电场增强。反向电压增大到一定程度时,反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流,则电流会大到将PN结烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。基本的击穿机构有两种,即隧道击穿(也叫齐纳击穿)和雪崩击穿,前者击穿电压小于6V,有负的温度系数,后者击穿电压大于6V,有正的温度系数。

雪崩击穿:阻挡层中的载流子漂移速度随内部电场的增强而相应加快到一定程度时,其动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来,产生自由电子—空穴对,新产生的载流子在强电场作用下,再去碰撞其它中性原子,又产生新的自由电子—空穴对,如此连锁反应,使阻挡层中的载流子数量急剧增加,象雪崩一样。雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中,阻挡层宽,碰撞电离的机会较多,雪崩击穿的击穿电压高。

齐纳击穿:齐纳击穿通常发生在掺杂浓度很高的PN结内。由于掺杂浓度很高,PN结很窄,这样即使施加较小的反向电压(5V以下),结层中的电场却很强(可达2.5×10V/m左右)。在强电场作用下,会强行促使PN结内原子的价电子从共价键中拉出来,形成"电子一空穴对",从而产生大量的载流子。它们在反向电压的作用下,形成很大的反向电流,出现了击穿。显然,齐纳击穿的物理本质是场致电离。

采取适当的掺杂工艺,将硅PN结的雪崩击穿电压可控制在8~1000V。而齐纳击穿电压低于5V。在5~8V之间两种击穿可能同时发生。

热电击穿:当pn结施加反向电压时,流过pn结的反向电流要引起热损耗。反向电压逐渐增大时,对于一定的反向电流所损耗的功率也增大,这将产生大量热量。如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去,则将引起结温上升。这种由于热不稳定性引起的击穿,称为热电击穿。

击穿电压的温度特性:温度升高后,晶格振动加剧,致使载流子运动的平 均自由路程缩短,碰撞前动能减小,必须加大反向电压才能发生雪崩击穿具有正的温度系数,但温度升高,共价键中的价电子能量状态高,从而齐纳击穿电压随温度升高而降低,具有负的温度系数。

(1)PN结加正向电压时导通

如果电源的正极接P区,负极接N区,外加的正向电压有一部分降落在PN结区,PN结处于正向偏置。电流便从P型一边流向N型一边,空穴和电子都向界面运动,使空间电荷区变窄,电流可以顺利通过,方向与PN结内电场方向相反,削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱,扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流,可忽略漂移电流的影响,PN结呈现低阻性。

(2)PN结加反向电压时截止

如果电源的正极接N区,负极接P区,外加的反向电压有一部分降落在PN结区,PN结处于反向偏置。则空穴和电子都向远离界面的方向运动,使空间电荷区变宽,电流不能流过,方向与PN结内电场方向相同,加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强,扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流,可忽略扩散电流,PN结呈现高阻性

在一定的温度条件下,由本征激发决定的少子浓度是一定的,故少子形成的漂移电流是恒定的,基本上与所加反向电压的大小无关,这个电流也称为反向饱和电流。

PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流;PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论:PN结具有单向导电性。

PN结的伏安特性(外特性)如图所示,它直观形象地表示了PN结的单向导电性。

伏安特性的表达式为:

式中iD为通过PN结的电流,vD为PN结两端的外加电压,VT为温度的电压当量,

vD>>0,且vD>VT时,

vD<0,且

PN结加反向电压时,空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变,主要有势垒电容(CB)和扩散电容(CD)。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。

势垒电容:势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时,离子薄层的厚度也相应地随之改变,这相当PN结中存储的电荷量也随之变化。势垒区类似平板电容器,其交界两侧存储着数值相等极性相反的离子电荷,电荷量随外加电压而变化,称为势垒电容,用CB表示,其值为:

PN结有突变结和缓变结,现考虑突变结情况,PN结相当于平板电容器,虽然外加电场会使势垒区变宽或变窄 但这个变化比较小可以忽略,则

扩散电容:PN结正向导电时,多子扩散到对方区域后,在PN结边界上积累,并有一定的浓度分布。积累的电荷量随外加电压的变化而变化,当PN结正向电压加大时,正向电流随着加大,这就要求有更多的载流子积累起来以满足电流加大的要求;而当正向电压减小时,正向电流减小,积累在P区的电子或N区的空穴就要相对减小,这样,当外加电压变化时,有载流子向PN结“充入”和“放出”。PN结的扩散电容CD描述了积累在P区的电子或N区的空穴随外加电压的变化的电容效应。

因PN结正偏时,由N区扩散到P区的电子,与外电源提供的空穴相复合,形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近,形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之,由P区扩散到N区的空穴,在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如右图所示。

CD是非线性电容,PN结正偏时,CD较大,反偏时载流子数目很少,因此反偏时扩散电容数值很小。一般可以忽略。

PN结电容:PN结的总电容Cj为CT和CD两者之和Cj = CT+CD ,外加正向电 压CD很大, Cj以扩散电容为主(几十pF到几千pF) ,外加反向电压CD趋于零,Cj以势垒电容为主(几pF到几十pF到)。

根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同,利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。如利用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管,利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管;利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管;利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管。使半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管;利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器;利用光生伏特效应可制成太阳电池。此外,利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大,振荡等多种电子功能。PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心,是现代电子技术的基础。在二级管中广泛应用。

PN结一旦击穿后,尽管反向电流急剧变化,但其端电压几 乎不变(近似为VBR,只要限制它的反向电流,PN结 就不会烧坏,利用这一特性可制成稳压二极管,其电路符号及伏安特性如上图所示:其主要参数有: VZ 、 Izmin 、 Iz 、 Izmax。

PN结反偏时,反向电流很小,近似开路,因此是一个主要由势垒电容构成的较理想的电容器件,且其增量电容值随外加电压而变化 利用该特性可制作变容二极管,变容二极管在非线性电路中应用较广泛, 如压控振荡器、频率调制等。

1935年后贝尔实验室的一批科学家转向研究Si材料,1940年,用真空熔炼方法拉制出多晶Si棒并且掌握了掺入Ⅲ、Ⅴ族杂质元素来制造P型和N型多晶Si的技术。还用生长过程中掺杂的方法制造出第一个Si的PN结,发现了Si中杂质元素的分凝现象,以及施主和受主杂质的补偿作用。

1948年,威廉·肖克利的论文《半导体中的P-N结和P-N结型晶体管的理论》发表于贝尔实验室内部刊物。

PN结是构成各种半导体器件的基础。制造PN结的方法有:

制造异质结通常采用外延生长法。

(1)外延方法:突变PN结;

(2)扩散方法:缓变PN结;
  (3)离子注入方法:介于突变结与缓变结之间;

PN 结构成了几乎所有半导体功率器件的基础,常用的半导体功率器件如DMOS,IGBT,SCR 等的反向阻断能力都直接取决于 PN 结的击穿电压,因此,PN 结反向阻断特性的优劣直接决定了半导体功率器件的可靠性及适用范围。在 PN结两边掺杂浓度为固定值的条件下,一般认为除 super junction 之外平行平面结的击穿电压在所有平面结中具有最高的击穿电压。实际的功率半导体器件的制造过程一般会在 PN 结的边缘引入球面或柱面边界,该边界位置的击穿电压低于平行平面结的击穿电压,使功率半导体器件的击穿电压降低。由此产生了一系列的结终端技术来消除或减弱球面结或柱面结的曲率效应,使实际制造出的 PN 结的击穿电压接近或等于理想的平行平面结击穿电压。

当 PN 结的反向偏压较高时,会发生由于碰撞电离引发的电击穿,即雪崩击穿。存在于半导体晶体中的自由载流子在耗尽区内建电场的作用下被加速其能量不断增加,直到与半导体晶格发生碰撞,碰撞过程释放的能量可能使价键断开产生新的电子空穴对。新的电子空穴对又分别被加速与晶格发生碰撞,如果平均每个电子(或空穴)在经过耗尽区的过程中可以产生大于 1 对的电子空穴对,那么该过程可以不断被加强,最终达到耗尽区载流子数目激增,PN 结发生雪崩击穿。

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