第6节 PN结(修订中)
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如果将一块 P 型半导体块与下图（a）中的一块 N 型半导体块接触，则结果是没有价值的。我们有两个相互接触的导电块，没有显示出独特的特性。问题是两个独立且不同的晶体。电子数由两个块中的质子数平衡。因此，两个区块都没有任何净费用。
然而，在下图 (b) 中，一端使用 P 型材料，另一端使用 N 型材料制造的单个半导体晶体具有一些独特的特性。P 型材料具有正多数电荷载流子、空穴，它们可以在晶格周围自由移动。N 型材料具有可移动的负多数载流子，即电子。在结附近，N 型材料的电子扩散穿过结，与 P 型材料中的空穴结合。由于电子被吸引，靠近结的 P 型材料区域带上净负电荷。由于电子离开 N 型区域，它带上局部正电荷。这些电荷之间的晶格薄层已耗尽多数载流子，因此被称为_耗尽区_. 它变成非导电的本征半导体 (opens new window)材料。实际上，我们几乎有一个绝缘体将导电的 P 和 N 掺杂区域分开。
(a) 接触的 P 和 N 半导体块没有可利用的特性。(b) 掺杂有 P 和 N 型杂质的单晶形成势垒。
PN结处的这种电荷分离构成了势垒。这个势垒必须通过外部电压源来克服，以使结导通。结和势垒的形成发生在制造过程中。势垒的大小是制造中使用的材料的函数。硅PN结比锗结具有更高的势垒。
# 0.1. PN结偏置
在下图 (a) 中，电池的排列方式是使负极端子向 N 型材料提供电子。这些电子向结扩散。正极从 P 型半导体中去除电子，产生向结扩散的空穴。如果电池电压大到足以克服结电位（Si 中为 0.6V），则 N 型电子和 P 空穴结合相互湮灭。这释放了晶格内的空间，让更多的载流子流向结。因此，N 型和 P 型多数载流子的电流流向结。结处的复合允许电池电流流过 PN 结二极管。据说这样的结是_前向偏置的_。
(a) 电池正向偏压将载流子推向结，在结处重组产生电池电流。(b) 反向电池偏置将载流子吸引到电池端子，远离结。耗尽区厚度增加。没有持续的电池电流流动。
如果电池极性如上图 (b) 所示反转，则多数载流子被吸引远离结点朝向电池端子。正极电池端子吸引 N 型多数载流子，电子，远离结。负端子吸引 P 型多数载流子，空穴，远离结。这增加了非导电耗尽区的厚度。没有多数载流子的重组；因此，没有传导。这种电池极性排列称为_反向偏置_。
# 0.2. 二极管
二极管 (opens new window)原理图符号如下图（b）所示，对应于（a）处的掺杂半导体条。二极管是_单向_器件。电流仅沿一个方向流动，沿箭头方向，对应于正向偏置。二极管符号的阴极棒对应于 N 型半导体。阳极（箭头）对应于 P 型半导体。要记住这种关系，符号上的__非__指向（条）对应于__N__型半导体。指示（箭头）对应于__P__型。
(a) 正向偏置 PN 结，(b) 对应的二极管原理图符号 (c) 硅二极管 I vs V 特性曲线。
如果二极管如上图 (a) 正向偏置，则电流会随着电压从 0 V 增加而略有增加。对于硅二极管，当电压接近上图 (c) 中的 0.6 V 时，可测量电流流动）。随着电压增加到超过 0.6 V，电流在拐点后显著增加。将电压增加到远远超过 0.7 V 可能会导致足够高的电流破坏二极管。正向电压 VF 是半导体的特性：硅为 0.6 至 0.7 V，锗为 0.2 V，发光二极管 (LED) 为几伏。正向电流的范围从点接触二极管的几毫安到小信号二极管的 100 毫安，再到功率二极管的几十或几千安培。
如果二极管反向偏置，则只有本征半导体的漏电流流动。这绘制在上图 (c) 中原点的左侧。对于硅小信号二极管的最极端条件，该电流仅高达 1 µA。在二极管击穿之前，该电流不会随着反向偏压的增加而明显增加。在击穿时，电流会大大增加，以至于二极管将被破坏，除非高串联电阻限制电流。我们通常选择反向电压额定值高于任何施加电压的二极管来防止这种情况。硅二极管通常具有 50、100、200、400、800 V 和更高的反向击穿额定值。可以制造具有几伏的较低额定值的二极管用作电压标准。
我们之前提到过，硅二极管的反向漏电流低于 1 µA 是由于本征半导体的导通造成的。这是可以用理论解释的泄漏。热能产生很少的电子-空穴对，它们会传导漏电流直到复合。在实际实践中，这种可预测的电流只是泄漏电流的一部分。大部分漏电流是由于表面传导，与半导体表面缺乏清洁度有关。两种漏电流都随着温度的升高而增加，对于小型硅二极管接近 µA。
对于锗，泄漏电流要高几个数量级。由于今天很少使用锗半导体，因此在实践中这不是问题。
# 1. 总结
- PN结由单晶半导体片制成，在结附近具有P型和N型区域。
- 电子从结的 N 侧转移到在结的 P 侧湮没的空穴产生势垒电压。这在硅中为 0.6 至 0.7 V，并随其他半导体而变化。
- 一旦克服了势垒电压，正向偏置的 PN 结就会传导电流。外部施加的电势迫使多数载流子流向发生复合的结，从而允许电流流动。
- 反向偏置的 PN 结几乎不传导电流。施加的反向偏置吸引多数载流子远离结。这增加了非导电耗尽区的厚度。
- 反向偏置 PN 结显示出与温度相关的反向漏电流。这在小型硅二极管中小于 µA。
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