pn結電容:簡介,作用,歷史,原理,N型半導體,P型半導體,電子與空穴的移動,PN

一塊半導體晶體一側摻雜成P型半導體，另一側摻雜成N型半導體，中間二者相連的接觸面稱為PN結（英語：pn junction）。PN結是電子技術中許多元件，例如半導體二極體、雙極性電晶體的物質基礎。PN結電容分為兩部分，勢壘電容和擴散電容。

基本介紹

中文名：pn結電容
外文名：PN junction capacitance
本質：是電子技術中許多元件的物質基礎

簡介,作用,歷史,原理,N型半導體,P型半導體,電子與空穴的移動,PN結的形成,製造工藝,性質,平衡狀態,正向偏置,反向偏置,伏安特性,PN結的電容效應,

簡介

勢壘電容

PN結交界處存在勢壘區。結兩端電壓變化引起積累在此區域的電荷數量的改變，從而顯現電容效應。

當所加的正向電壓升高時，PN結變窄，空間電荷區變窄，結中空間電荷量減少，相當於電容放電。同理，當正向電壓減小時，PN結變寬，空間電荷區變寬，結中空間電荷量增加，相當於電容充電。加反向電壓升高時，一方面會使耗盡區變寬，也相當於對電容的充電。加反向電壓減少時，就是P區的空穴、N區的電子向耗盡區流，使耗盡區變窄，相當於放電。

PN結電容算法與平板電容相似，只是寬度會隨電壓變化。

擴散電容

PN結勢壘電容主要研究的是多子，是由多子數量的變化引起電容的變化。而擴散電容研究的是少子。

在PN結反向偏置時，少子數量很少，電容效應很少，也就可以不考慮了。在正向偏置時，P區中的電子，N區中的空穴，會伴著遠離勢壘區，數量逐漸減少。即離結近處，少子數量多，離結遠處，少子的數量少，有一定的濃度梯度。

正向電壓增加時，N區將有更多的電子擴散到P區，也就是P區中的少子----電子濃度、濃度梯度增加。同理，正向電壓增加時，N區中的少子---空穴的濃度、濃度梯度也要增加。相反，正向電壓降低時，少子濃度就要減少。從而表現了電容的特性。

針對擴散電容來說：PN結反向偏置時電阻大，擴散電容小，主要為勢壘電容。正向偏置時，電容大，取決於擴散電容，電阻小。

頻率越高，電容效應越顯著。

在積體電路中，一般利用PN結的勢壘電容，即讓PN結反偏，只是改變電壓的大小，而不改變極性。

作用

二極體的PN結之間是存在電容的，而電容是能夠通過交流電的。由於結電容通常很小，當加在二極體PN結之間的交流電頻率較低時，通過PN結的電流由PN結的特性決定——只允許單向電流通過。但是當加在PN結上的交流電頻率較高時，交流電就可以通過PN結的電容形成通路，PN結就部分或完全失去單嚮導電的特性。

歷史

1948年，威廉·肖克利的論文《半導體中的PN結和PN結型電晶體的理論》發表于貝爾實驗室內部刊物。肖克利在1950年出版的《半導體中的電子和空穴》中詳盡地討論了結型電晶體的原理，與約翰·巴丁、沃爾特·布喇頓共同發明的點接觸型電晶體所採用的不同的理論。

原理

N型半導體

摻入少量雜質磷元素（或銻元素）的矽晶體（或鍺晶體）中，由於半導體原子（如矽原子）被雜質原子取代，磷原子外層的五個外層電子的其中四個與周圍的半導體原子形成共價鍵，多出的一個電子幾乎不受束縛，較為容易地成為自由電子。於是，N型半導體就成為了含自由電子濃度較高的半導體，其導電性主要是因為自由電子導電。

P型半導體

摻入少量雜質硼元素（或銦元素）的矽晶體（或鍺晶體）中，由於半導體原子（如矽原子）被雜質原子取代，硼原子外層的三個外層電子與周圍的半導體原子形成共價鍵的時候，會產生一個“空穴”，這個空穴可能吸引束縛電子來“填充”，使得硼原子成為帶負電的離子。這樣，這類半導體由於含有較高濃度的“空穴”（“相當於”正電荷），成為能夠導電的物質。

電子與空穴的移動

漂移運動

上面敘述的兩種半導體在外加電場的情況下，會作定向運動。這種運動成為電子與空穴（統稱“載流子”）的“漂移運動”，並產生“漂移電流”。

根據靜電學，電子將作與外加電場相反方向的運動，並產生電流（根據傳統定義，電流的方向與電子運動方向相反，即和外加電場方向相同）；而空穴的運動方向與外加電場相同，由於其可被看作是“正電荷”，將產生與電場方向相同的電流。

兩種載流子的濃度越大，所產生的漂移電流越大。

擴散運動

由於某些外部條件而使半導體內部的載流子存在濃度梯度的時候，將產生擴散運動，即載流子由濃度高的位置向濃度低的位置運動。

PN結的形成

採用一些特殊的工藝（見本條目後面的段落），可以將上述的P型半導體和N型半導體緊密地結合在一起。在二者的接觸面的位置形成一個PN結。

P型、N型半導體由於分別含有較高濃度的“空穴”和自由電子，存在濃度梯度，所以二者之間將產生擴散運動。即：

自由電子由N型半導體向P型半導體的方向擴散
空穴由P型半導體向N型半導體的方向擴散

載流子經過擴散的過程後，擴散的自由電子和空穴相互結合，使得原有的N型半導體的自由電子濃度減少，同時原有P型半導體的空穴濃度也減少。在兩種半導體中間位置形成一個由N型半導體指向P型半導體的電場，成為“內電場”。

製造工藝

合金法
擴散法
離子注入法
外延生長法

性質

平衡狀態

PN結在沒有外加電壓情況下，跨結形成了電勢差導致了平衡狀態。該電勢差稱為內在電勢（built-in potential）{\displaystyle V_{\rm {bi}}}。

PN結的n區的電子向p區擴散，留下了正電荷在n區。類似地，p型空穴從p區向n區擴散，留下了負電荷在p區。進入了p區的電子與空穴複合，進入了n區的空穴與電子複合。經效果是擴散到對方的多數載流子（自由電子與空穴）都耗盡了，結區只剩下不可移動的帶電離子，失去了電中性變為帶電，形成了耗盡層（space charge region）。

正向偏置

若施加在P區的電壓高於N區的電壓，稱為正向偏置（forward bias）。

在正向偏置電壓的外電場作用下，N區的電子與P區的空穴被推向PN結。這降低了耗盡區的耗盡寬度。這降低了PN結的電勢差（即內在電場）。隨著正向電壓的增加，耗盡區最終變得足夠薄以至於內電場不足以反作用抑制多數載流子跨PN結的擴散運動，因而降低了PN結的電阻。跨過PN結注入p區的電子將擴散到附近的電中性區。所以PN結附近的電中性區的少數載流子的擴散量確定了二極體的正向電流。

僅有多數載流子能夠在半導體材料中移動巨觀距離。因而，注入p區的電子不能繼續移動更遠，而是很快與空穴複合。少數載流子在注入中性區後移動的平均距離稱為擴散長度（diffusion length），典型是微米量級。

雖然跨過p-n結的電子在p-區只能穿透短距離，但正向電流不被打斷，因為空穴（p-區的多數載流子）在外電場驅動下在向相反方向移動。從p-區跨越PN結注入n-區的空穴也具有類似性質。

正向偏置下，跨PN結的電流強度取決於多數載流子的密度，這一密度隨正向偏置電壓的大小成指數增加。這使得二極體可以導通正向大電流。

反向偏置

若施加在N區的電壓高於P區的電壓，這種狀態稱為PN結反向偏置（reverse bias）。由於p區連線電源負極，多數載流子空穴被外電場拉向負極，因而耗盡層變厚。n區也發生類似變化。並且隨反向偏置電壓的增加，耗盡層的厚度增加。從而，多數載流子擴散過PN結的勢壘增大，PN結的電阻變大，巨觀看二極體成為絕緣體。

反向偏置時形成極其微弱的漂移電流，電流由N區流向P區，並且這個電流不隨反向電壓的增大而變化，稱為“反向飽和電流”（reverse saturation current）。這是因為反向電流是由少數載流子跨PN結形成的，因此其“飽和”值取決於少數載流子的摻雜密度。由於反向飽和電流很小，PN結處於截止狀態，所以外加反向電壓時，PN結相當於斷路。

當加在PN結上的反向電壓超過一定數值時，PN結的電阻突然減小，反向電流急劇增大，這種現象稱為擊穿。電擊穿擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿且都是可逆的。發生熱擊穿後，PN結不再具有單嚮導電性，導致二極體發生不可恢復的損壞。利用齊納擊穿製作的穩壓二極體，稱為齊納二極體。

反向擊穿

當反向電壓逐漸增大時，反向飽和電流不變。但是當反向電壓達到一定值時，PN結將被擊穿。在PN結中加反向電壓，如果反向電壓過大，位於PN結中的載流子會擁有很大的動能，足以和中性粒子碰撞使中性粒子分離出價電子而產生空穴-電子對。這樣會導致PN結反向電流的急劇增大，發生PN結的擊穿，因為被彈出的價電子又可能和其他中性粒子碰撞產生連鎖反應，類似於雪崩，這樣的反向擊穿方式成為雪崩擊穿（Avalanche breakdown）。摻雜濃度越低所需電場越強。當摻雜濃度非常高時，在PN結兩端加入弱電場就會使中性粒子中的價電子脫離原子的束縛，從而成為載流子。導致PN結的擊穿。這樣的擊穿被稱作齊納擊穿（Zener breakdown）。摻雜濃度越高所需要的電場越弱。一般小於6V的電壓引起的是齊納擊穿，大於6V的引起的是雪崩擊穿。