2022-2023学年高二物理竞赛课件：PN结

PN结

结：两种物质形成原子或分子级接触称为结或接触。由N型和P型半导体形成的结叫做PN结。同质结：由同种半导体材料形成的结叫做同质结，同质结也有同型异质结和异型异质结之分（这里型指的是导电类型）。异质结：由不同种半导体材料形成的结叫做异质结，异质结又有同型同质结和异型同质结之分（这里型指的是导电类型）。高低结：由同种导电类型的半导体材料形成的结叫做高低结，比如P-P结，N-N结。金属-半导体结：由金属和半导体形成的结叫做金属-半导体结，常称为金属-半导体接触。

突变结：P型区和N型区之间的杂质分布变化陡峭.线性缓变结:P型区和N型区之间的杂质分布变化比较缓慢,可看做是线性变化的.单边突变结：PN结一侧的掺杂浓度比另一侧的高得多，表示为或

中性区:中性指的是电中性,PN结空间电荷区以外的区域(P区和N区)的电阻与空间电荷区的电阻相比可以忽略,加偏压时它们承受的电压降可以忽略故称为中性区

耗尽区与耗尽近似:空间电荷区里自由载流子浓度与电离杂质浓度相比可以忽略,可以说自由载流子被耗尽了,因此把空间电荷区叫做耗尽区.这种近似叫做耗尽近似

势垒区:空间电荷区两侧存在内建电势差相应电势能差称为势垒.由于空间电荷区两側存在电子和空穴的势垒因此也把空间电荷区叫做势垒区.势垒区和空间电荷区、耗尽区指的是同一件事。少子扩散区：空间电荷区两侧中性区里一到几个扩散长度的区域内注入少子以扩散方式运动，这个区域称为少子扩散区，简称为扩散区。扩散近似：在PN结中性区由于有注入的过量少数载流子存在，建立起一瞬间电场。此电场吸引过量多子以中和注入的过量少数载流子，使电中性得以恢复。结果是，在少子注入区，可能有很高的过量载流子浓度而无显著的空间电荷效应。于是可以认为在中性区过量载流子将以扩散方式运动，这种近似称为扩散近似。正向注入：正偏压使PN结N区多子电子从N区向P区扩散，使P区多子空穴从P区向N区扩散（这些载流子在进入对方区域之后成为对方区域中的少子）这种现象称为少子的正向注入。反向抽取：反偏PN结空间电荷区电场将N区少子空穴从N区向P区漂移，将P区少子电子从P区向N区漂移，这种现象称为载流子的反向抽取。正偏复合电流：正偏压使得空间电荷层边缘处的载流子浓度增加，以致

。这些过量载流子穿越空间电荷层，使得载流子浓度可能超过平衡值，预料在空间电荷层中会有载流子复合发生，相应的电流称为复合电流反偏产生电流在结反向偏压的情况下，空间电荷区中

。于是会载流子的产生，相应的电流即为空间电荷区产生电流。隧道电流：当P侧和N侧均为重掺杂的情况时，有些载流子可能穿透(代替越过)势垒而产生电流，这种电流叫做隧道电流

产生隧道电流的条件：（1）费米能级位于导带或价带的内部；（2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率；（3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空的状态。当结的两边均为重掺杂，从而成为简并半导体时，这些条件就得到满足。

隧道二极管的主要特点：1、隧道二极管是利用多子的隧道效应工作的。由于单位时间内通过结的多数载流子的数目起伏较小，因此隧道二极管具有较低的噪音。2、隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，由于温度对多子涨落的影响小，使隧道二级管的工作温度范围大。3、由于隧道效应的本质是量子跃迁过程，电子穿越势垒极其迅速，不受电子渡越时间的限制，因此可以在极高频率下工作。

过渡电容(耗尽层电容)：PN结空间电荷会随着外加偏压的变化而变化，相应的电容叫做过渡电容也叫做耗尽层电容。表示为：扩散电容：PN结扩散区内的贮存电荷量会随着外加偏压的变化而变化，相应的电容叫做扩散电容。表示为：电荷贮存效应：PN结由正偏変为反偏，注入的非平衡载流子并不能立即去除。这种现象称为电荷贮存效应。

其中隧道击穿：在高电场下耗尽区的共价键断裂产生电子和空穴，即有些价电子通过量子力学的隧道效应从价带移到导带，从而形成反向隧道电流。这种机制称为齐纳击穿，也叫做隧道击穿。雪崩击穿：在N区（P区）的一个杂散空穴（电子）进入空间电荷层，在它掠向P区（N区）的过程中，它从电场获得动能。空穴（电子）带着高能和晶格碰撞，并从晶格中电离出一个电子以产生一个电子

空穴对。在第一次碰撞之后，原始的和产生的载流子将继续它们的行程，并且可能发生更多的碰撞，产生更多的载流子。结果，载流子的增加是一个倍增过程，称为雪崩倍增或碰撞电离，由此造成的PN结击穿叫做雪崩击穿。

分别采用费米能级和载流子扩散与漂移的观点分析结空间电荷区的形成：假设在形成结之前N型和P型材料在实体上是分离的。在N型材料中费米能级靠近导带边缘，在P型材料中费米能级靠近价带边缘，当P型材料和N型材料被连接在一起时，费米能级在热平衡时必定恒等，否则，就要流过电流。恒定费米能级的条件是由电子从N型一边转移至P型一边，空穴则沿相反方向转移实现的。电子和空穴的转移在N型和P型各边分别留下未被补偿的施主离子和受主离子和。结果建立了两个电荷层即空间电荷区。另一方面，也可以通过考虑载流子的扩散和漂移得到这种电荷分布。当把N型和P型材料放在一起时，由于在P型材料中有多得多的空穴，它们将向N型一边扩散。与此同时，在N型一边的电子将沿着相反的方向扩散，即由N型区向P型区扩散。由电子和空穴扩散留下的未被补偿的施主和

受主离子建立了一个电场。这一电场是沿着抵消载流子扩散趋势的方向在热平衡时，载流子的漂移运动正好和载流子的扩散运动相平衡，电子和空穴的扩散与漂移在N型和P型各边分别留下