PN结的形成机制和偏置特性

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文介绍了PN结的原理、结构和特性。

PN 结是构成二极管、双极型晶体管、MOS 晶体管等各类半导体器件的核心结构，其本质是 p 型半导体与 n 型半导体接触后，在交界面形成的特殊功能薄层。PN 结的形成主要通过两种方式：一是将独立的 p 型半导体与 n 型半导体直接结合；二是利用 “杂质补偿作用”—— 在 p 型半导体局部区域掺入高浓度五价杂质（如磷），使该区域转变为 n 型半导体（形成反型层），或在 n 型半导体局部掺入高浓度三价杂质（如硼），使其转变为 p 型半导体，两种方式均可在交界面形成稳定的 PN 结。

PN 结的形成机制与载流子运动平衡

当 p 型半导体与 n 型半导体初始接触时，由于两侧载流子浓度存在显著差异，会引发一系列物理过程，最终形成稳定的 PN 结结构，具体过程如下：

载流子的扩散运动

如图 1 所示，p 型半导体中（简称 p 区）的多数载流子（多子）是空穴，浓度远高于 n 型半导体（简称 n 区）；而 n 区的多子是自由电子，浓度远高于 p 区。根据 “粒子从高浓度向低浓度扩散” 的规律，p 区的空穴会向 n 区扩散（运动方向从左向右），n 区的自由电子会向 p 区扩散（运动方向从右向左）。

耗尽层（空间电荷区）的形成

当空穴与自由电子在交界面相遇时，会发生 “复合” 现象（即电子填充空穴，两者均失去导电能力），导致交界面处的载流子浓度大幅降低，形成阻值极高的 “高阻区”，也称为耗尽层、势垒区或空间电荷区。同时，复合过程会使交界面两侧留下无法移动的杂质离子：n 区一侧因失去电子，留下带正电的杂质离子（如磷离子）；p 区一侧因失去空穴，留下带负电的杂质离子（如硼离子），这些离子共同构成了 “内建电场”。

扩散与漂移的动态平衡

内建电场的方向由 n 区的正离子指向 p 区的负离子，其作用有两点：一是阻碍多子的进一步扩散（与扩散运动方向相反）；二是推动少子的 “漂移运动”—— 将 n 区的少数载流子（少子，为空穴）推向 p 区，将 p 区的少子（为电子）推向 n 区（漂移运动方向与内建电场方向一致）。最终，扩散运动（多子迁移）与漂移运动（少子迁移）的速率达到相等，形成动态平衡，此时交界面处的空间电荷区厚度与内建电场强度均保持稳定，PN 结正式形成。

PN 结的偏置特性（正向导通与反向截止）

当在 PN 结两端施加外部电压（即 “偏置电压”）时，会打破扩散与漂移的动态平衡，使 PN 结呈现出截然不同的导电特性，具体分为正向偏置与反向偏置两种状态：

1. 正向偏置（正偏）——PN 结导通

正向偏置的定义是：将电源正极连接 p 区，负极连接 n 区（如图 2 (a) 所示）。此时，外加电场的方向与内建电场方向相反，会显著削弱内建电场的强度，导致空间电荷区厚度变薄。内建电场的削弱使多子的扩散运动阻力减小，扩散运动强度远超漂移运动，形成以多子为主导的 “正向电流”。

正向偏置时，PN 结呈现低电阻特性（正向导通），具体表现为：①正向压降很小（通常硅材料 PN 结正向压降约 0.7V，锗材料约 0.2V）；②正向电流随外加电压的增加呈指数级增长 —— 当电压超过 “死区电压”（硅材料约 0.5V）后，电流会快速上升，此时 PN 结可稳定导通，实现电流的高效传输。

2. 反向偏置（反偏）——PN 结截止

反向偏置的定义是：将电源正极连接 n 区，负极连接 p 区（如图 2 (b) 所示）。此时，外加电场的方向与内建电场方向一致，会进一步增强内建电场强度，导致空间电荷区厚度变宽。内建电场的增强使多子的扩散运动几乎完全被抑制，此时导电主要依赖少子的漂移运动，形成 “反向电流”。

反向偏置时，PN 结呈现高电阻特性（反向截止），具体表现为：①反向电流极其微弱（通常为纳安级），因为少子数量极少；②在一定反向电压范围内（未达到击穿电压），反向电流基本保持不变，称为 “反向饱和电流”；③反向饱和电流对温度敏感，随温度升高而显著增加 —— 这是由于温度升高会提供更多热能，激发半导体内部产生更多本征载流子（少子数量增加），从而导致反向电流上升。

PN 结的核心应用与电容特性

1. 核心应用 —— 二极管的单向导电性

PN 结是二极管的核心结构：在 PN 结两端引出电极引线并封装管壳，即可制成二极管。二极管的本质是 PN 结，因此继承了 PN 结 “正向导通、反向截止” 的特性，即 “单向导电性”—— 正向电压下电流可顺畅通过，反向电压下几乎无电流通过，这种特性使二极管可作为电路中的 “电子开关”，广泛应用于整流、检波、稳压等场景。

2. PN 结的电容特性

PN 结在工作过程中还会表现出电容效应，根据成因不同可分为扩散电容与势垒电容两类：

扩散电容（Cd）：仅在 PN 结正向偏置时存在。正向偏置下，多子扩散到对方区域后，会在 PN 结边界附近形成一定浓度梯度的载流子积累层（如 p 区的电子积累层、n 区的空穴积累层）。当外加正向电压变化时，积累层中的电荷量会随之变化，从而产生电容效应，称为扩散电容。电压变化频率越高，扩散电容的影响越显著。

势垒电容（Cb）：在正向偏置与反向偏置下均存在。空间电荷区（势垒区）可视为 “介质层”，两侧的杂质离子可视为 “极板”，构成类似平行板电容器的结构。当外加电压变化时，空间电荷区的厚度会改变，导致极板上的电荷量（杂质离子数量）变化，从而产生电容效应，称为势垒电容。反向偏置时，空间电荷区较宽，势垒电容较小；正向偏置时，空间电荷区较窄，势垒电容较大。

PN 结的电容特性会影响其在高频电路中的性能，例如高频信号下电容效应会导致信号衰减或相位偏移，因此在高频器件设计中需重点考虑并优化这一特性。