【白话模电1】PN结与二极管

距离上一次写半导体，已经过了很久了，上次分享了本征半导体的基本概念：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/109483580

今天给大家聊聊半导体工业中的基础：PN结与二极管

1、掺杂的半导体

如果将本征半导体进行掺杂处理，我们可以得到P型半导体和N型半导体。如图1-1，P型半导体以空穴作为多数载流子，N型半导体以电子作为多数载流子。如果单纯的对掺杂半导体进行通电，我们会发现半导体的导电能力大大增强了（相对于本征半导体），在相同掺杂浓度的半导体中，N型半导体体的导电能力更强（电子的迁移率大约是空穴迁移率的3倍）。

图1-1 本征半导体与掺杂半导体

2、载流子的扩散与漂移

如果将一个P型半导体和一个N型半导体合在一起，那么由于扩散运动，N型半导体内的电子会跑到P型半导体中和空穴复合；P型半导体的空穴会跑到N型半导体内与电子复合。那么这个时候在结合面的附近P型半导体空轨道被电子填满形成带负电的粒子，而N型半导体失去自由电子，形成带正点的粒子，扩散运动形成了正负粒子构建的内电场。随着扩散深度的加强，内电场的场强在增加，此时进入电场内的载流子被加速：电子逆着电场方向移动，空穴沿着电场方向移动，P型半导体获得空穴，N型半导体获得电子，从而使内建电场强度减弱形成“负反馈”。最终PN 结的内建场强处于一个动态平衡之中，如图2-1。

在PN结的内建电场区域几乎没有自由移动的载流子，而正负粒子被晶格所束缚不能自由移动。这个空间区域称为空间电荷区，也叫耗尽层，也叫势垒区。在初学模拟电路的时候，我们经常会被这三个名词所困惑，这里我们不妨再看一下：空间电荷区是按照电荷特性划分的，该部分是不能自由移动的电荷；从电场的角度来看，内建电场阻碍了载流子的扩散，就像一堵墙一样，如果载流子要通过这个区域必须获得克服该势垒的能量；从载流子的角度来看，这里的电子和空穴进行了复合，仿佛附近的载流子被消耗了一般，因此也称为耗尽层。所以，空间电荷区 = 势垒区 = 耗尽层。

图2-1 PN结的结构与内建电场

3、PN结的开关特性

PN结形成的耗尽层，可以说是整个半导体工业的基础结构：因为其单相导电性。如图3-1，如果我们在P型半导体加上正电压，N型半导体加上负电压，P型半导体电子被抽走，剩下空穴；N型半导体获得电子补充。外部电压提供的电子和空穴在耗尽层进行复合，空间电荷区减小，形成源源不断的电流流动。相反，如图3-2，如果在P型半导体上加上负电压，N型半导体上加上正电压，P型半导体获得多余的电子；N型半导体电子被抽走，留下带正电的空穴，空间电荷区增加，内建场强增加，阻碍电子的漂移运动，PN结保持截止状态。

图3-1 PN结的正向导通

图3-2 PN结反向截止

4、温度对PN结的影响

在使用半导体器件中，经常碰到一个概念，就是这个器件的某个参数（比如等效阻抗，击穿电压）是正温度系数还是负温度系数。温度对半导体的特性有着至关重要的影响，那么在微观层面温度是如何影响PN结的呢? 温度的升高一方面可以提高半导体的本质载流子激发，一定程度提高了载流子浓度，更多的载流子参与导电电阻率降低；另外一方面，温度的上升导致晶格的振动增强，载流子的平均自由程变短，载流子的迁移率降低，电阻率升高。

由于工艺和应用场景不同，不同型号的二极管正向导通压降呈现正温度系数或者负温度系数。如图4-1，两个相同二极管并联。如果二极管特性如左图，其中一个二极管温度较高，那么该二极管分流的电流就越大，而电流越大温度越高，进一步加剧该二极管的分流，导致最终该二极管承受绝大部分的电流，可能引起二极管的热失效；如果二极管特性如右图，在大电流条件下，正温度系数的管压降能够自动对并联二极管进行均流，该特性的二极管才满足并联使用条件。

图4-1 二极管正向导通温度曲线

而对于二极管反向耐压而言，温度的降低意味着晶格振动的减弱，载流子更容易漂移通过势垒区，形成反向击穿电流。随着温度的升高，二极管的反向耐压是降低的。

5、齐纳击穿和雪崩击穿

如果我们使用两个重掺杂的P型半导体和N型半导体制造二极管，那么载流子的浓度会很高，PN结的耗尽层会非常的薄。这时候加上反向电压能够轻松帮助载流子穿过势垒区，从而获得一定的反向电流，这种击穿称为“齐纳击穿”，该二极管称为齐纳二极管。如图5-1，进入反向击穿区（Reverse breakdown），电流迅速增大，电压保持不变，因此也称为“稳压二级管”。

简单来说，使用高掺杂的半导体形成较薄的耗尽层，载流子的迁移过程中晶格和杂质离子对载流子的散射作用比较有限，可以忽略。载流子可以很轻易的穿过耗尽层，形成耗尽层的击穿。但是这种击穿能量又不高，是一种可恢复的击穿。随着温度的升高，耗尽层内的载流子活性增强，击穿电压降低。漏电流增加，这在电路设计时需要注意。

图5-1 齐纳二极管特性曲线

对于普通掺杂的二极管，同样的温度的升高会使得耗尽层内的载流子活性增强，更容易被激发出来。但是由于耗尽层的距离较远需要穿过更多的晶格，晶格的振动增强，载流子的平均自由程变短，从而使二极管的耐压提高。二极管反压后需要更多的能量将载流子加速，才能穿过势垒区，形成反向电流。在加速的电子过程中，由于电场很强，加速电子后很容易轰击出其他接近电离的粒子（想象下大力出奇迹地轰击台球），于是雪崩效应发生了。雪崩效应电离出的载流子越来越多，最终电流也越来越大，形成击穿电流，烧毁二极管。

比较下齐纳击穿和雪崩击穿，如图5-2可以看出，雪崩击穿的曲线拐点较缓慢，而齐纳击穿的拐点较陡。并且先发生齐纳击穿，再发生雪崩击穿，雪崩击穿能量要比齐纳击穿的能量大得多。

图5-2 齐纳击穿与雪崩击穿

参考资料：

1. https://www.ednchina.com/news/5615.html
2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/77910253