嵌软工程师要掌握的硬件知识1：一文了解什么是PN结

文 / 黑猫学长

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文章所在专栏: 嵌软工程师要掌握的硬件知识

1 什么是本征半导体

纯净的、不含其他杂质的半导体称为本征半导体。

本征半导体在热力学温度T=0K（相当于-273℃）时不导电，如同绝缘体一样。本征半导体在环境温度升高或光照的作用下，将有少数价电子获得足够的能量，以克服共价键的束缚而成为自由电子。在没有外加电场时自由电子做无规则的运动。价电子离开共价键后，在该共价键处留下一个空位，这种带正电荷的空位称为“空穴”。在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的，即自由电子与空穴数目相等。相邻共价键中的价电子可以在获得能量后移至有空穴的共价键，并在原来的位置上产生一个新的空穴。这种新的空穴可以在外加电场作用下运动，价电子运动填补一个空穴后，在原来所处位置上产生一个新的空穴，空穴运动的方向与价电子运动的方向相反。在没有外加电场时，如同自由电子一样，空穴在晶体中也做无规则的运动，对外部不显现电流。

2 PN结

P型半导体：也称为空穴型半导体。一般在纯硅中掺入微量3价元素铟或铝，这样和周围的硅组合在一起形成4价键的时候，缺少一个电子，就形成了空穴。所以，P型半导体中，多子就是空穴，少子是电子。
N型半导体：也称为电子型半导体。N型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。一般在纯硅中掺入砷、磷、锑等五价元素，这样和周围的硅组合在一起形成4价键的时候，缺多一个电子，这个电子就可以自由移动。所以，N型半导体中，多子就是电子，少子是空穴。

通常，多子：少子 = 1百亿 ： 1

注意：
N型半导体和P型半导体，都是电中性的，单独的N型半导体和P型半导体，不带电！！！
N型半导体只是有一个电子更容易移动而已，但并不是N型半导体带负电！！！

因为P\N半导体本身不带电，但是N有容易移动的电子，所以，PN结分界线处，N的电子跑到了P的空穴。那么C区域就是带正电了，B区域就是带负电了。所以B和C形成一个从C指向B的电场。导致D处的电子想要向P的A区域移动，受到B的反向作用力。D处的电子没办法经过C再经过B，最后到A处。

那么这时候可能又有疑问了：既然C处带正电了，D处有电子，为什么D处的电子不往C处跑？记住，D本身是电中性的，如果D处的电子往C处跑，会收到B处的阻力，而且试想一下，如果D处电子往C处跑，那D处就一定有地方变成正电了，那这时候跑到C处的电子会不会有要被吸回来呢？所以，最终这个PN结就会形成一个动态的平衡。B和C之间形成一个电场，A和D依旧是电中性。

- 势垒电压
这个内部电场，就叫做势垒电场。一般硅材料制作的PN结势垒电压在0.7V左右。
空间电荷区

- 耗尽层
同时，B和C区域，也称为耗尽层。耗尽层与偏置电压大小、温度、材料性质有关。
材料特性主要又指的是参杂浓度，参杂浓度越高，耗尽层越窄。

3 如何让PN结导通

1、P接正，N接负，形成P指向N的电厂，和PN结内部势垒电场相反，使得PN结变窄。同时如果外部电厂比势垒电厂大，电子就会流动，形成通路，导通！这种接法叫做正向接法，也叫做正向偏置。
2、反过来则截至。

PN结的伏安特性曲线：

4 PN结的击穿

PN结的击穿分为雪崩击穿、隧道击穿和热电击穿三类。
热击穿：热击穿是由于大电流造成的，因为功耗过大，散热不及时导致PN结温度升高被烧毁，是永久破坏性的，不可逆。

4.1 雪崩击穿（Avalanche Breakdown）

当PN结接反向偏置的电压，会造成耗尽层变宽，同时，这个势垒电场也会越来越大，就越不容易导通，但是这里又需要注意，耗尽层和势垒电场不可能无穷无尽的变大，总归会到达一个极限，当到这个极限的时候，这个PN结就会被击穿了。这种击穿，就是雪崩击穿。

那么，雪崩击穿原理是什么？

其实，即使PN结内部的势垒电场形成后，PN结内部的电子并不是静态的，而是达到一种动态平衡。在内部中，P型半导体的少子（电子）会存在漂移，从P型半导体经过空间电荷区到达N型半导体。只不过这种漂移运动很少，漂移运动带来的电压很小，忽略不计。
通常，漂移运动的电子撞击到其他共价键上的电子，是不可能把共价键上电子撞走的，因为其比较稳定。但是当加反向电压，空间电荷区变宽，势垒电压越来越大。那么少子运动的势能就会变大。以P型半导体的少子（电子）举例，当达到某个临界值，P型的电子就会撞击其他的共价键中的电子对，让其脱离共价键，这样就会造成，1生2，2生4，4生8…，最后造成雪崩效应。

雪崩效应发生，PN结的损坏不一定是不可逆的。还是取决于反向电压的大小和持续时长。

4.2 隧道击穿

4.2.1 什么是隧道击穿

隧道击穿也叫做齐纳击穿，是齐纳发现的。
在高浓度掺杂的PN结中，由于耗尽层内的正、负离子排列紧密，耗尽层很窄，因此外加不大的反向电压就能在耗尽层内形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键的束缚，产生大量电子-空穴对，致使反向电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。可见，齐纳击穿电压较低，对于硅材料的PN结来说，齐纳击穿的UBR一般小于5V。

乍一看，感觉齐纳击穿和雪崩击穿原理一样啊？其实本质上是差不多的，但是如果要深入，还需要了解到量子力学的知识才能完全理解。这里简单做个解释：
雪崩击穿的电子浓度比较低，其内部电场较小，所以外接一个反向偏置电压，这个电压要很大。但是对应高浓度的PN结，其电荷空间区比较小。因此，内部电场本来就很大了。外部稍微加一点反向偏置电压，就可以把耗尽层内中性原子的价电子直接从共价键中拉出来，变为自由电子，同时产生空穴，这个过程成为场致电离。

场致电离产生大量的载流子，使PN结的反向电流剧增，呈现反向击穿的现象，称为齐纳击穿（Zener breakdown）。齐纳击穿时场致电离的结果，通常发生在掺杂浓度很高的PN结中，在外加较低的反向电压时就会出现这种击穿，击穿电压只有几伏。

4.2.2 隧道击穿和雪崩击穿的区别

（1）性质不同
雪崩击穿：新产生的载流子在电场作用下敲出其他价电子，产生新的自由电子和空穴对。由于这种连锁反应，势垒层中载流子的数量急剧增加，流过PN结的电流急剧增加。这种由碰撞电离引起的击穿称为雪崩击穿。
齐纳击穿：场激发产生大量载流子，使PN结反向电流大大增加，呈现反向击穿现象。

（2）特点不同
雪崩击穿：在低掺杂浓度的PN结中，空间电荷区的电场随着PN结反向电压的增大而增大。这样，空间电荷区的电子和空穴在电场的作用下获得的能量增加。通常为低掺杂浓度的PN结。
齐纳击穿：齐纳击穿需要高参杂浓度。