PN結(jié)

PN結(jié)簡(jiǎn)介

　　采用不同的摻雜工藝，通過擴(kuò)散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)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(qū)稱為PN結(jié)（英語：PN junction）。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，是電子技術(shù)中許多器件所利用的特性，例如半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管的物質(zhì)基礎(chǔ)。

PN結(jié)百科

　　采用不同的摻雜工藝，通過擴(kuò)散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)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(qū)稱為PN結(jié)（英語：PN junction）。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕请娮蛹夹g(shù)中許多器件所利用的特性，例如半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管的物質(zhì)基礎(chǔ)。

　　原理

　　雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體（N為Negative的字頭，由于電子帶負(fù)電荷而得此名）：摻入少量雜質(zhì)磷元素（或銻元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導(dǎo)體原子（如硅原子）被雜質(zhì)原子取代，磷原子外層的五個(gè)外層電子的其中四個(gè)與周圍的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，多出的一個(gè)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(dǎo)體就成為了含電子濃度較高的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性主要是因?yàn)樽杂呻娮訉?dǎo)電。［1］ P型半導(dǎo)體（P為Positive的字頭，由于空穴帶正電而得此名）：摻入少量雜質(zhì)硼元素（或銦元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導(dǎo)體原子（如硅原子）被雜質(zhì)原子取代，硼原子外層的三個(gè)外層電子與周圍的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“空穴”，這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來“填充”，使得硼原子成為帶負(fù)電的離子。這樣，這類半導(dǎo)體由于含有較高濃度的“空穴”（“相當(dāng)于”正電荷），成為能夠?qū)щ姷奈镔|(zhì)。［2］

　　PN結(jié)的形成PN結(jié)是由一個(gè)N型摻雜區(qū)和一個(gè)P型摻雜區(qū)緊密接觸所構(gòu)成的，其接觸界面稱為冶金結(jié)界面。［3］ 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(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，我們稱兩種半導(dǎo)體的交界面附近的區(qū)域?yàn)镻N結(jié)。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)自由電子為多子空穴幾乎為零稱為少子，而P型區(qū)內(nèi)空穴為多子自由電子為少子，在它們的交界處就出現(xiàn)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(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散。它們擴(kuò)散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。開路中半導(dǎo)體中的離子不能任意移動(dòng)，因此不參與導(dǎo)電。這些不能移動(dòng)的帶電粒子在P和N區(qū)交界面附近，形成了一個(gè)空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)的薄厚和摻雜物濃度有關(guān)。在空間電荷區(qū)形成后，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)形成了內(nèi)電場(chǎng)，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。顯然，這個(gè)電場(chǎng)的方向與載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反，阻止擴(kuò)散。另一方面，這個(gè)電場(chǎng)將使N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，漂移運(yùn)動(dòng)的方向正好與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補(bǔ)充了原來交界面上P區(qū)所失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補(bǔ)充了原來交界面上N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，內(nèi)電場(chǎng)減弱。因此，漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。最后，多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄層，這個(gè)離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

　　制造工藝

　　PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。制造PN結(jié)的方法有：制造異質(zhì)結(jié)通常采用外延生長(zhǎng)法。（1）外延方法：突變PN結(jié)；（2）擴(kuò)散方法：緩變PN結(jié)；

　?。?）離子注入方法：介于突變結(jié)與緩變結(jié)之間；

　　PN 結(jié)的擊穿機(jī)理

　　PN 結(jié)構(gòu)成了幾乎所有半導(dǎo)體功率器件的基礎(chǔ)，目前常用的半導(dǎo)體功率器件如DMOS，IGBT，SCR 等的反向阻斷能力都直接取決于 PN 結(jié)的擊穿電壓，因此，PN 結(jié)反向阻斷特性的優(yōu)劣直接決定了半導(dǎo)體功率器件的可靠性及適用范圍。在 PN結(jié)兩邊摻雜濃度為固定值的條件下，一般認(rèn)為除 super junction 之外平行平面結(jié)的擊穿電壓在所有平面結(jié)中具有最高的擊穿電壓。實(shí)際的功率半導(dǎo)體器件的制造過程一般會(huì)在 PN 結(jié)的邊緣引入球面或柱面邊界，該邊界位置的擊穿電壓低于平行平面結(jié)的擊穿電壓，使功率半導(dǎo)體器件的擊穿電壓降低。由此產(chǎn)生了一系列的結(jié)終端技術(shù)來消除或減弱球面結(jié)或柱面結(jié)的曲率效應(yīng)，使實(shí)際制造出的 PN 結(jié)的擊穿電壓接近或等于理想的平行平面結(jié)擊穿電壓。

　　當(dāng) PN 結(jié)的反向偏壓較高時(shí)，會(huì)發(fā)生由于碰撞電離引發(fā)的電擊穿，即雪崩擊穿。存在于半導(dǎo)體晶體中的自由載流子在耗盡區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下被加速其能量不斷增加，直到與半導(dǎo)體晶格發(fā)生碰撞，碰撞過程釋放的能量可能使價(jià)鍵斷開產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。新的電子空穴對(duì)又分別被加速與晶格發(fā)生碰撞，如果平均每個(gè)電子（或空穴）在經(jīng)過耗盡區(qū)的過程中可以產(chǎn)生大于 1 對(duì)的電子空穴對(duì)，那么該過程可以不斷被加強(qiáng)，最終達(dá)到耗盡區(qū)載流子數(shù)目激增，PN 結(jié)發(fā)生雪崩擊穿。

　　半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

　　半導(dǎo)體以其導(dǎo)電性能介乎于導(dǎo)體和絕緣體之間而得名。如硅、鍺、硒以及大多數(shù)金屬氧化物和硫化物都是半導(dǎo)體。

　　金屬導(dǎo)體依靠自由電子導(dǎo)電。絕緣體原子最外層的電子被原子核束縛得很緊，所以絕緣體中自由電子極少，不易導(dǎo)電。而半導(dǎo)體原子最外層的電子處于半自由狀態(tài)。以常用的半導(dǎo)體材料硅原子結(jié)構(gòu)為例，它有四個(gè)價(jià)電子，完全純凈的硅晶體結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)原子與相鄰的四個(gè)原子結(jié)合，每一個(gè)原子的一個(gè)價(jià)電子與另一個(gè)原子的一個(gè)價(jià)電子組成一個(gè)電子對(duì)，構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，如右圖所示。半導(dǎo)體一般都具有晶體結(jié)構(gòu)，故半導(dǎo)體又稱為單晶體。

　　共價(jià)鍵中的價(jià)電子不像絕緣體原子外層的電子被束縛得那么緊，在受到熱的作用或受到光照射時(shí)，熱能和光能轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，原子最外層的價(jià)電子便很容易掙脫原子核的束縛，形成自由電子，此時(shí)在原子共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中，相應(yīng)出現(xiàn)了一個(gè)電子空位，稱為空穴，由于電子帶負(fù)電荷而原子又是中性的，因此空穴可認(rèn)為是帶正電荷。具有空穴的原子又可吸引鄰近原子中的價(jià)電子來填補(bǔ)其空穴，從而形成電子運(yùn)動(dòng)。這時(shí)空穴也從某一個(gè)原子內(nèi)移動(dòng)到了另一個(gè)原子內(nèi)，形成空穴運(yùn)動(dòng)。這樣在一定條件下，半導(dǎo)體中出現(xiàn)了兩種帶電運(yùn)動(dòng)，一種是帶負(fù)電荷的自由電子運(yùn)動(dòng)；另一種便是帶正電荷的空穴運(yùn)動(dòng)。在外電場(chǎng)的作用下，電子向電源正極定向運(yùn)動(dòng)，空穴向電源負(fù)極定向運(yùn)動(dòng)，于是電路中便形成電流。

　　半導(dǎo)體導(dǎo)電的特點(diǎn)，就是同時(shí)存在電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，所以自由電子和空穴都稱為載流子。純凈半導(dǎo)體中載流子總是成對(duì)出現(xiàn)，并不斷復(fù)合，在一定條件下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，使半導(dǎo)體中載流子的數(shù)量維持恒定。當(dāng)條件改變后，如溫度升高或光照加強(qiáng)，載流子數(shù)量又會(huì)增多，使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能增強(qiáng)，故溫度對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能影響很大。

　　純凈半導(dǎo)體一般導(dǎo)電能力是較差的，而在其中加入某種雜質(zhì)后，導(dǎo)電能力即可大大增強(qiáng)，其原因同樣與其共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)有關(guān)。

　　N型和P型半導(dǎo)體

　　在純凈的半導(dǎo)體中，摻入極微量有用的雜質(zhì)，雜質(zhì)不同，其增加的導(dǎo)電載流子的類型也不同，可分為兩大類，如在硅單晶體中摻入五價(jià)元素磷，磷原子外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)價(jià)電子與硅原子中的四個(gè)價(jià)電子形成共價(jià)鍵后，多出的一個(gè)電子便很容易掙脫原子核的束縛而成為自由電子，這樣摻磷后的半導(dǎo)體中自由電子的數(shù)量大大增加，因而加強(qiáng)了原純凈半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。摻入五價(jià)元素的半導(dǎo)體，自由電子是導(dǎo)電的主要載流子，稱多數(shù)載流子，而原半導(dǎo)體中的空穴則稱少數(shù)載流子，這種半導(dǎo)體由于電子帶負(fù)電，故稱電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體，如下圖a所示。

　　若在硅單晶體中摻入三價(jià)元素硼，硼原子外層只有三個(gè)價(jià)電子，與硅原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵時(shí)，將出現(xiàn)一個(gè)空穴，與N型半導(dǎo)體相比，這類半導(dǎo)體主要是空穴導(dǎo)電，即空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子，由于空穴被認(rèn)為帶正電，故稱空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體，如上圖b所示。

　　在N型半導(dǎo)體中，摻入五價(jià)元素越多，自由電子數(shù)量越多，導(dǎo)電性能越好。同理在P型半導(dǎo)體中，摻入三價(jià)元素越多，空穴數(shù)量越多，導(dǎo)電性能也越好。在制造時(shí)，可用摻雜的多少來控制多數(shù)載流子的濃度。而在使用中因出現(xiàn)溫度的升高或光照的增多，P型或N型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子的濃度也會(huì)出現(xiàn)急劇增加的現(xiàn)象。

　　N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，雖然都有一種多數(shù)載流子，但整個(gè)半導(dǎo)體仍是電中性的。

　　PN結(jié)的形成

　　將下圖a的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體采用一定的工藝措施緊密地結(jié)合在一起，由于N區(qū)電子濃度遠(yuǎn)大于P區(qū)，P區(qū)的空穴濃度遠(yuǎn)大于N區(qū)，因此N區(qū)的電子要穿過交界面向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)的空穴也要穿過交界面向N區(qū)擴(kuò)散。擴(kuò)散的結(jié)果，在交界面形成一個(gè)薄層區(qū)，在這薄層區(qū)內(nèi)，N區(qū)的電子已跑到P區(qū)，N區(qū)留下了帶正電的原子，形成N區(qū)帶正電；P區(qū)的空穴已被電子填充，P區(qū)留下了帶負(fù)電的原子，形成P區(qū)帶負(fù)電。這薄層稱為空間電荷區(qū)，如下圖b所示。

　　這薄層的兩邊類似已充電的電容器，形成由N→P的內(nèi)電場(chǎng)?？臻g電荷區(qū)內(nèi)基本上已沒有載流子，故又稱為耗盡層，或稱PN結(jié)，它具有很高的電阻率。顯然這個(gè)內(nèi)電場(chǎng)形成后將阻礙多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)又使P區(qū)少數(shù)載流子——電子向N運(yùn)動(dòng)；使N區(qū)少數(shù)載流子—— 空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)。這種少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。

　　擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)是同時(shí)存在的一對(duì)矛盾，開始形成空間電荷區(qū)時(shí)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散是矛盾的主導(dǎo)，隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區(qū)即PN結(jié)不斷增寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，此時(shí)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)減弱，而漂移運(yùn)動(dòng)越來越強(qiáng)，在一定溫度時(shí)，最終擴(kuò)散、漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)平衡，PN結(jié)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，PN結(jié)之間再?zèng)]有定向電流。

　　PN結(jié)的單向?qū)щ娫?/strong>