本征半導體摻雜后形成的 P 型半導體和 N 型半導體, 雖然導電能力大大增強, 但一般并不能直接用來制造半導體器件,各種半導體器件的核心結構是將 P 型半導體和 N 型半導體通過一定的制作工藝形成的 PN 結, 因此,掌握 PN 結的基本原理十分重要。

1. PN 結的形成

如果一塊半導體的兩部分分別摻雜形成 P 型半導體和 N 型半導體, 在它們的交界面處就形成了 PN 結。

交界面處存在載流子濃度的差異,會引起載流子的擴散運動, 如圖 2. 3( a)所示。P 區空穴多,電子少; N 區電子多,空穴少。于是, N 區電子要向 P 區擴散, 擴散到 P 區的電子與空穴復合, 在交界面附近的 N 區留下一些帶正電的 5 價雜質離子, 形成正離子區;同時, P 區空穴向 N區擴散, P 區一側留下帶負電的 3 價雜質離子,形成負離子區。這些正負離子通常稱為空間電荷,它們不能自由移動, 不參與導電。擴散運動的結果, 產生從 N 區指向 P 區的內電場, 如圖2. 3( b) 所示。

圖 2.3 PN 結的形成

在內電場的作用下, P 區的少子電子向 N 區運動, N 區的少子空穴向 P 區運動。這種在內電場作用下的載流子運動稱為漂移運動。

由上述分析可知, P 型半導體和 N 型半導體交界面存在著兩種相反的運動———多子的擴散運動和少子的漂移運動。內電場促進了少子的漂移運動, 卻阻擋多子的擴散運動。當這兩種運動達到動態平衡時,空間電荷區的寬度穩定下來, 不再變化,這種寬度穩定的空間電荷區,就稱做 PN 結。

在 PN 結內, 由于載流子已擴散到對方并復合掉了, 或者說被耗盡了, 所以空間電荷區又稱為耗盡層。

2. PN 結的單向導電性

PN 結無外加電壓時, 擴散運動和漂移運動處于動態平衡, 流過 PN 結的電流為 0。當外加一定的電壓時,由于所加電壓極性的不同, PN 結的導電性能不同。

(1 ) 正向偏置———PN 結低阻導通

通常將加在 PN 結上的電壓稱為偏置電壓。若 PN 結外加正向電壓 ( P 區接電源的正極,N 區接電源的負極,或 P 區電位高于 N 區電位 ) ,稱為正向偏置。如圖 2 .4 ( a )所示。這時外加電壓在 PN 結上形成的外電場的方向與內電場的方向相反, 因此擴散運動與漂移運動的平衡被破壞。外電場有利于擴散運動,不利于漂移運動, 于是多子的擴散運動加強, 中和了一部分空間電荷,整個空間電荷區變窄, 形成較大的擴散電流,方向由 P 區指向 N 區, 稱為正向電流。在一定范圍內,外加電壓越大, 正向電流越大, PN 結呈低阻導通狀態。

注意:正向電流由兩部分組成, 即電子電流和空穴電流,雖然電子和空穴的運動方向相反,但形成的電流方向一致。

圖 2 .4 PN 結的單向導電性

(2 ) 反向偏置———PN 結高阻截止

若 PN 結外加反向電壓 ( P 區接電源的負極, N 區接電源的正極, 或 P 區電位低于 N 區電位) ,稱為反向偏置。如圖 2.4(b)所示。這時外加電壓在 PN 結上形成的外電場的方向與內電場的方向相同,加強了內電場,促進了少子的漂移運動,使空間電荷區變寬,不利于多子擴散運動的進行。此時主要由少子的漂移運動形成的漂移電流將超過擴散電流, 方向由 N 區指向 P 區,稱為反向電流。由于在常溫下少數載流子數量很少, 所以反向電流很小。此時 PN 結呈高阻截止狀態。在一定溫度下,若反向偏置電壓超過某個值(零點幾伏), 反向電流不會隨著反向電壓的增大而增大,稱為反向飽和電流。反向飽和電流是由少子產生的,因此對溫度變化非常敏感。

綜上所述, PN 結具有單向導電性: 正向偏置時,呈導通狀態; 反向偏置時,呈截止狀態。除了單向導電性, PN 結還有感溫、感光、發光等特性, 這些特性經常得到應用, 制成各種用途的半導體器件。