PN结的基本特性

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PN结的基本特性

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PN结是半导体器件的核心结构，由P型半导体和N型半导体接触形成。它具有单向导电性、反向击穿特性、伏安特性和电容特性等重要特性，这些特性为二极管等半导体器件的功能实现奠定了基础。本文将详细介绍PN结的这些基本特性。

单向导电性

通过在PN结外加正向电压和反向电压的实验现象可以发现，PN结具有单向导电性。

当PN结外加正向电压（即P区接电源正极，N区接电源负极）时，外电场和内电场的方向相反，这会减弱内电场，使得耗尽层宽度减少。这种情况下，多子（P区的空穴和N区的电子）的扩散运动得到促进，而少子（P区的电子和N区的空穴）的漂移运动受到抑制。因此，在外加正向电压时会有较大的正向扩散电流，呈现低电阻状态，我们称PN结导通。正向电流的大小与外加电压有关，随着外加电压的增大而增大。
当PN结加反向电压（即P区接电源负极，N区接电源正极）时，外电场和内电场的方向相同，这会增强内电场，使得耗尽层宽度变宽。这种情况下，多子的扩散运动受到抑制，而少子的漂移运动得到促进。然而，由于少子的浓度很低，所以形成的反向电流非常小。在反向偏置下，PN结呈现出高电阻状态，即截止状态。反向电流的大小基本上不随外加电压的变化而变化，所以也称反向饱和电流。但其会随温度的变化而变化，温度越高，少子的浓度越高，反向电流也就越大。

PN结的单向导电性在半导体器件中有着广泛的应用。例如，在二极管中，就利用了PN结的单向导电性来实现电流的单向流动。此外，PN结还可以作为整流器、稳压器、开关等元件在电路中发挥作用。

反向击穿特性

当PN结外加反向电压增加到某一临界值时，反向电流会突然急剧增大，此时PN结处于“反向击穿”状态。发生击穿时的反向电压称为PN结的击穿电压（VBR），它是PN结的一个重要参数，与半导体材料的性质、掺杂浓度、工艺过程等多种因素有关。

PN结的反向击穿主要分为三种类型：齐纳击穿、雪崩击穿和热击穿。前两种是电击穿，具有可逆性，热击穿不具有可逆性。

齐纳击穿：当反向电压增大到一定值时，势垒区内就能建立起很强的电场，它能够直接将束缚在共价键中的价电子拉出来，使势垒区产生大量的电子-空穴对，形成较大的反向电流，产生击穿。齐纳击穿主要发生在掺杂浓度特别高的PN结中，因为此时空间电荷区很窄，电场强度可能非常高。把这种在强电场作用下，使势垒区中原子直接激发的击穿现象称为齐纳击穿。
雪崩击穿：随着反向电压的提高，空间电荷区内电场增强，通过势垒区的载流子获得的能量也随之增加。当反向电压接近击穿电压时，这些有较高能量的载流子与空间电荷区内的中性原子相遇发生碰撞电离，产生新的电子-空穴对。这些新产生的电子和空穴又会在电场的作用下，重新获得能量，碰撞其它的中性原子使之电离，再产生更多的电子-空穴对。这种连锁反应继续下去，使空间电荷区内的载流子数量剧增，就像雪崩一样，使反向电流急剧增大，产生击穿。雪崩击穿一般发生在掺杂浓度较低、外加电压又较高的PN结中。这是因为掺杂浓度较低的PN结，空间电荷区宽度较宽，发生碰撞电离的机会较多。

电击穿本身具有可逆性，不会破坏PN结，但电击穿可能会引起热击穿破坏PN结。

PN结的反向击穿在半导体器件中既有应用价值也存在限制。一方面，利用PN结的反向击穿特性可以制成稳压二极管（也称为齐纳二极管），这种二极管在反向击穿时具有稳定的电压特性，广泛应用于电路中作为稳压元件。另一方面，反向击穿也可能导致PN结损坏，因此在设计电路时需要采取措施防止PN结发生反向击穿，如设置限流电阻、采用保护电路、控制温度以及优化电路设计等。