初级模拟电路：1-2 PN结与二极管

1. 掺杂半导体

上面我们分析了本征半导体的导电情况，但由于本征半导体的导电能力很低，没什么太大用处。所以，一般我们会对本征半导体材料进行掺杂，即使只添加了千分之一的杂质，也足以改变半导体材料的导电特性。通过加入不同特性的掺杂的元素，可以做出两种不同性质的半导体材料：n型半导体材料和 p型半导体材料，下面分别予以介绍。

（1） n型半导体

n型半导体材料是通过对本征半导体掺入有5个价电子的元素得到的，常见的5价元素有：锑（Sb）、砷（As）、磷（P），下面以锑作为掺杂元素、硅作为本征基片来举例，见下图所示：

图 1-2.01

在图中我们可以看到，锑的5个价电子中，有4个分别和旁边的硅原子形成了共价键，受到硅原子和锑原子的双重束缚。但是还剩余一个电子没有形成共价键，这个剩余电子本来就处于锑原子的导带和价带之间的重叠地带，所以受锑原子的束缚非常弱，可以在n材料中成为自由电子。这相当于锑原子贡献了一个自由电子，因此这种5价的掺杂原子称为：施主原子（donor atom）。

虽然n型材料中有大量的自由电子，但是n材料中也还是有空穴的，这些空穴由原来的本征硅材料产生，虽然数量非常小，但也不是没有。我们把n材料中的自由电子称为多数载流子（majority carriers），简称多子；而把n型材料中的空穴称为少数载流子（minority carriers），简称少子。

“n”的含义是指，其多数载流子为带负电荷（negtive）的自由电子。需要强调的是，虽然称为n型材料，但材料本身还是中性的，其总正电荷与总负电荷数量相等。

（2） p型半导体

p型半导体材料是通过对本征半导体掺入有3个价电子的元素得到的，常见的3价元素有：铝（Al）、硼（B）、镓（Ga），下面以硼作为硅基片的掺杂元素举例，见下图所示：

图 1-2.02

在图中我们可以看到，由于硼只有3个价电子，导致它和周围的共价键网格中，还缺少1个电子，因此留下一个空穴，这个空位可以方便地接受一个自由电子。这种3价的掺杂原子称为：受主原子（acceptor atom）。

同样的，p型材料中虽然有大量的空穴，但也还是有少量的自由电子的，这些自由电子由原来的本征硅材料产生。所以在p型材料中的多数载流子为空穴，而少数载流子为自由电子。

“p”的含义是指，其多数载流子为带正电荷（positive）的空穴。仍然需要强调的是，虽然称为p型材料，但材料本身还是中性的，其总正电荷与总负电荷数量相等。

2. PN结

在一块本征硅材料上掺杂，让其一半形成n型材料，另一半型成p型材料，则在交界处会形成一个称为PN结（p-n junction）的结构。这就是一个基本的二极管（diode）。二极管的符号见下图：

图 1-2.03

其中，阳极（Anode）和阴极（Kathode）这两个名词是从更古老的电子管时代遗留下来的（是的，电子管时代就有二极管了），对于现代的晶体管结构二极管，似乎叫P级和N级更合适一些，不过既然已经约定俗称这么叫了，就这么叫吧。

（1）耗尽层

在p区和n区的交界面附近，处于n区的导带的自由电子，由于热扩散的作用，会有一部分进入到p区，由于p区存在大量的空穴，这些扩散过来的自由电子会很容易与p区的空穴复合。由此产生两个影响：

① 在n区，由于5价的掺杂原子失去了一个电子，因此变成了一个带正电的离子；② 在p区，由于3价的掺杂原子捕获了电子，因此变成了一个带负电的离子，如下图所示（固体中的离子是不能动的，所以图中画成了方形）：

图 1-2.04

同样的，处于p区的空穴，由于热扩散的作用，也会有一部分进入到n区，并且与n区的自由电子结合（这里再次声明一下，空穴移动的本质，是价带电子在空穴间移动造成的，但我们将空穴看成为一种带“正电荷”的移动粒子，分析起来会比较方便）。

空穴从p区扩散到n区，同样会产生两个影响：在p区的3价掺杂原子失去一个空穴（失去一个空穴可以理解为失去一个“正电荷”），而变为一个带负电的离子；在n区的某原子获得一个空穴（n区的5价原子和硅原子都可以获得空穴），而变为一个带正电的离子。

可以看到，无论是自由电子的扩散还是空穴的扩散，都会使p区的负离子越来越多，而n区的正离子越来越多。

当这些离子越积越多后，会在pn结附近形成一个内建电场E，如下图所示：

图 1-2.05

而这个内建电场会产生一种阻力，阻碍上面的扩散运动，也阻碍电场自身继续变得更强，这个分析稍微有点复杂。有8种情况要讨论，我们这里仅分析n区的4种情况（p区的4种情况类似，只是方向相反）。

（1） n区电场外部的自由电子，会由于扩散作用而进入电场，当它们一旦进入这个电场，都要受到一个反方向的电场力，使得它们弹回去，不再能轻易到达对面的p区，这个效果阻碍n区的自由电子扩散到p区。（但也不是没有，只有那些动能极高的自由电子，才能穿过电场，到达对面的p区，只不过数量极少）。

（2） n区电场内部的自由电子，其中的大多数自由电子已扩散到p区，并与p区的空穴复合形成了负离子。一旦与p区的空穴结合后，就回不来了，所以在电场内部的n区基本没有自由电子。

（3） n区电场外部的空穴（硅材料原生的，很少），一旦进入这个电场，会受到电场力的作用，加速进入p区，接着与p区的负离子复合，削减电场强度。

（4） n区电场内部的空穴（主要是p区扩散过来的），过来的空穴基本上都已经与n区的自由电子结合，形成了正离子。所以在电场内部的n区也没有空穴。

（5）~（8） p区的情况也是类似，读者可自行推演。

其实，即便你不想烧脑去搞清楚上面（1）~（8）的情况也没关系，只要记住下面2个结论就行了：

● 在pn结的内建电场区域中，既没有自由电子，也没有空穴，所以这个区域称为耗尽层（depletion region）。

● 自由电子和空穴的扩散运动使内建电场增强，而这个内建电场反过来会阻碍扩散运动的继续进行（同时也阻碍电场自己变得更强）。最后两者会达到一个平衡状态，在耗尽层形成一个平衡的电场，进而产生内建电势差，这个电势差也被称为势垒电压（barrier voltage）。在室温下，一般硅基材料的势垒电压大约为0.7V，锗基为0.3V。

（2） PN结反偏

如果把一个外部电压源加到PN结上，使电源正极连接n型材料，电源负极连接p型材料，如下图所示，这种接法称为反向偏置（reverse-bias）。

图 1-2.06

分析时，电源的正极和负极可以看成这样一种抽象：电源正极有吸引电子和排斥空穴的趋势，并可以无限量接收电子和提供空穴；电源负极有吸引空穴和排斥电子的趋势，并可以无限量接收空穴和提供电子。

先来分析多数载流子的情况，电源正极吸引n区中的自由电子，从而使得n区产生更多的正离子；而电源负极吸引p区中的空穴，从而使得p区产生更多的负离子；进而使得耗尽层的内建电场和势垒电压变得更大，如下图所示：

图 1-2.07

直到最后内部的势垒电压等于外加的反偏电压，此时，电源正极无法再从n区吸收到自由电子，而电源负极也无法再从p区吸收到空穴，两者达到一种平衡。此时多子流减为0。

然后再考虑少数载流子的情况：在p区的耗尽层外部会有一些极少量的自由电子，它们被电源负极排斥而进入PN结内建电场，然后被内建电场加速而推到n区，最后穿过n区被电源正极吸收；而电源的负极会补给新的自由电子到p区，如此形成持续的少子电流。在n区的少子“空穴”的情况也是类似（在n区的少子空穴，被电源正极排斥而进入并且穿过内建电场，最后被电源负极吸收）。但是由于少子的总数非常小，因此这个少子电流非常微弱（一般在几个微安左右）。

这个在反偏电压下的电流称为反向饱和电流（reverse saturation current），用I_S表示。饱和的意思是指：随着反偏电压的增大，反偏电流维持不变，不会持续增大。

（3） PN结正偏

当把外电源的正极接到二极管的p型材料，电源负极接到n型材料，这种接法称为正向偏置（forward-bias），如下图所示：

图 1-2.08

在正偏情况下，p区的空穴被电源正极推向耗尽层，从而与p区耗尽层的一部分负离子复合；同样的，n区的自由电子被电源负极推向耗尽层，从而与n区耗尽层的一部分正离子复合，这样就等于是削弱了耗尽层的内建电场和势垒电压。如下图所示：

图 1-2.09

随着外部电源正偏电压的增大，内建电场不断被削弱，直到外部电压可以克服内部势垒电场时，n区的电子和p区的空穴可有足够的能量进入对方区域，再而流到电源，这将导致电流极快增长，此时称二极管为导通状态，在图中表示为I_D。这里有一个比较有趣的问题：自由电子进入p区后如何运动？回答是，自由电子进入p区后，会与价带的空穴复合，然后在价带中沿着空穴一路运动到电源负极。也就是说，在p区运动的多数载流子仍然是空穴。

至于正偏情况下的少子电流，在正偏电压很小时，会有非常微弱的少子电流。但由于少子的总数相当小，与多子电流相比，一般可忽略不记。

（4）反向击穿

再回来讲反偏。虽然在反偏条件下，反向饱和电流不随反偏电压的增大而增大，但反偏电压也不能太大，当反偏电压过大时，会引起二极管的反向击穿（reverse breakdown）。有2种机制会引起反向击穿，分别是雪崩击穿（avalanche breakdown）和齐纳击穿（Zenor breakdown）。

先讲雪崩击穿。前面在讲反偏的时候讲过，少数载流子在经过耗尽层时，会被内建电场加速一下。当反偏电压越大时，内建电场的势垒电压也越大，给少子的加速也越大，当少子的动能足够大时，它会撞击破坏其他原子的共价键，进而撞击出一个新的“自由电子-空穴”对。这个新的“自由电子-空穴”对，同样会被内建电场加速，再去撞击其他的共价键，最后引起雪崩效应，导致反向电流急剧增大。雪崩击穿会造成二极管的永久损坏，这是必须避免的。生产商通过调节掺杂浓度来控制雪崩电压值，常用二极管的雪崩击穿电压一般在几十伏到几百伏不等。

另一种击穿机制是齐纳击穿。同样是在反偏条件下，在耗尽层的内建强电场会破坏其中原子的结合力，从而强行电离出“电子-空穴”对。一般齐纳电压值比雪崩电压值会低一些，但也不是一定的。对于普通二极管，无论是雪崩击穿还是齐纳击穿，都会造成二极管的永久损坏。所以一般二极管的规格书上不区分两者，统一称为峰值反向电压，简称PIV（peak inverse voltage），也有的厂商把它简写为PRV（peak reverse voltage），或BV（breakdown voltage），在一些教材上也把它写成V_BV，都是一个意思。

另外有一种特殊二极管称为齐纳二极管（Zener diode），也叫稳压二极管，它专门可以工作于齐纳击穿电压而不损坏。齐纳二极管是在电子电路中比较常用的一种元器件，通常用于保护线路不被意外的高电压击坏，这个后面我们会单独介绍。

好了，关于半导体与PN结内部的工作原理就解释到这里，以上的内容都只是为了帮助学习者快速理解的一种简化模型，其实半导体材料真正的内部工作机理非常复杂，如果你真的还想刨根问底，可以去看《固体物理》、《半导体器件基础》之类的书，说实话，再深了我也不懂：）

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