PN结

  采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性。

PN结的形成

  物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。当把P型半导体和N型半导体制作在一起时，在它们的交界面，两种载流子的浓度差很大，因而P区的空穴必然向N区扩散，与此同时，N区的自由电子也必然向P区扩散。

  图中P区标有负号的小圆圈表示除空穴外的负离子（即受主原子），N区标有正号的小圆圈表示除自由电子外的正离子（即施主原子）。由于扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，他们是不能移动的，称为空间电荷区，从而形成内电场。随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，其方向有N区指向P区，正好阻值扩散运动的进行。
  在电场力的作用下，载流子的运动称为漂移运动。当空间电荷区形成后，在内电场作用下，少子产生漂移运动，空穴从N区向P区运动，而自由电子从P区向N区运动。在无外电场和其他激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结。
  此时空间电荷区具有一定的宽度，电位差为$Uho$，电流为零。空间电荷区内，正、负电荷的电量相等；因此，当P区与N区杂质浓度相等时，负离子区与正离子区的宽度也相等，称为对称结；而当两边杂质浓度不同时，浓度高一侧的离子区宽度低于浓度低的一侧，称为不对称PN结；两种结的外部特性是相同的。
  绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴部都非常少，在分析PN结特性时常忽略载流子的作用，而只考虑离子区的电荷，这种方法称为“耗尽层近似”，故也称空间电荷区为耗尽层。

PN结的单向导电性

  如果在PN结的两端外加电压，就将破坏原来的平衡状态。此时，扩散电流不再等于漂移电流，因而PN结将有电流流过。当外加电压极性不同时，PN结表现出截然不同的导电性能，即呈现出单向导电性。

1.PN结外加正向电压时处于导通状态

  当电源的整机（或正极串联电阻后）接到PN结的P端，且电源的负极（或负极串联电阻后）接到PN结的N端时，称PN结外加正向电压，也称正向接法或正向偏置。此时外电场将多数载流子推向空间电荷区，使其变窄，削弱了内电场，破坏了原来的平衡，使扩散运动加剧，漂移运动减弱。由于电源的作用，扩散运动将源源不断地进行，从而形成正向电流，PN结导通。

  PN结导通时的结电压只有零点几伏，因而应在它所在的回路中串联一个电阻，以限制回路的电流，防止PN结因正向电流过大而损坏。

2.PN结外加反向电压时处于截止状态

  当电源的正极（或正极串联电阻后）接到PN结的N端，且电源的负极（或串联负极电阻后）接到PN结的P端时，称PN结外加反向电压，也称反向接法或反向偏置。

  此时外电场使空间电荷区变宽，加强了内电场，阻止扩散运动的进行，而加剧漂移运动的进行，形成反向电流，也称为漂移电流。因为少子的数目极少，即使所有的少子都参与漂移运动，反向电流也非常小，所以在近似分析中常将它忽略不计，认为PN结外加反向电压时处于截止状态。

PN结的电流方程

  由理论分析可知，PN结所加端电压u与流过它的电流i关系为
$$i=Is(e^{\frac{qu}{KT}}-1)$$

式中
1、$Is$为反向饱和电流
2、q为电子电量
3、k为玻尔兹曼常数
4、T为热力学温度
令 $UT=kT/q$,则$i=Is(e^{\frac{u}{UT}}-1)$

  常温下，即T=300K时， $UT\approx 26mV$.

PN结的伏安特性

  当PN结外加正向电压$u\gg UT$时，$i\approx Is{e}^{\frac{u}{UT}}$ ，即i随u按指数规律变化；当PN结外加反向电压，且$u\gg UT$ 时，$i\approx -Is$ 。画出i与u的关系曲线，称为PN结的伏安特性。

  其中u>0的部分称为正向特性，u<0的部分称为反向特性。
  当反向电压超过一定数值$U(BR)$ 后，反向电流急剧增加，称之为反向击穿。击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。在高掺杂的情况下，因耗尽层宽度很窄，不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键素服，产生电子-空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿，可见齐纳击穿电压较低。如果掺杂浓度较低，耗尽层宽度较宽，那么低反向电压下不会产生齐纳击穿。当反向电压增加到较大数值时，耗尽层的电场使少子加快漂移速度，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生电子——空穴对。新产生的电子与空穴被电场加速后又撞出其他价电子，载流子雪崩式地倍增，致使电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿，无论哪种击穿，若对其电流不加限制，都可能造成PN结的永久性损坏。

PN结的电容效应

  在一定条件，PN结具有电容效应，根据产生原因不同分为势垒电容和扩散电容。

1.势垒电容

  当PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压增大或减小，这种现象与电容器的充放电过程相同。

  耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容$Cb$ 。$Cb$ 具有非线性，它与结面积、耗尽层宽度、半导体的介电常数及外加电压有关。对于一个制作好的PN结，$Cb$ 与外加电压u的关系如下图所示。

  利用PN结外加反向电压时Cb随u变化的特性，可制作成各种变容二极管。

2.扩散电容

  PN结处于平衡状态时的少子常称为平衡少子。PN结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子。当外加正向电压一定时，靠近耗尽层交界面的地方非平衡少子的浓度高，而远离交界面的地方浓度低，且浓度自高到低逐渐衰减，直到零。形成一定的浓度梯度（即浓度差），从而形成扩散电流。当外加正向电压增大时，非平衡少子的浓度增大且浓度梯度也增大，从外部看正向电流（即扩散电流）增大。当外加正向电压减小时与上述变化相反。
  如下图所示的三条曲线是在不同正向电压下P区少子浓度的分布情况。
  各曲线与$nP=nP0$所对应的水平线之间的面积代表了非平衡少子在扩散区域的数目。当外加电压增大时，曲线由①变为②，非平衡少子数目增多；当外加电压减小时，曲线由①变为③，非平衡少子数目减少。扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容器充放电过程相同，这种电容效应称为扩散电容$Cd$ 。与$Cb$ 一样，$Cd$ 也具有非线性，它与流过PN结的正向电流$i$ 、温度的电压当量$UT$ 以及非平衡少子的寿命$\tau$ 有关。$i$ 越大，$\tau$越大、$UT$ 越小$Cd$ 就越大。
由此可见，PN结的结电容$Cj$是$Cb$与$Cd$之和，即$Cj=Cb+Cd$。

  由于Cb与Cd一般都很小（截面积小的为1pF左右，截面积大的为即使至几百皮法），对于低频信号呈现出很大的容抗，其作用可以忽略不计，因而只有在信号频率较高时才考虑结电容的作用。