对PN结及其单向导电性的研究

郭泽宇

（河南大学国际教育学院 河南省开封市 475004）

原子的结构决定了物质的导电性能，其导电性能又决定了该物质在电子技术中的应用。一些低价金属如铜，铝，他们的最外层电子很容易挣脱原子核的束缚，而称为自由电子，在外部电场的作用下定向移动，形成电流，一般用作导体。反之，高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶）它们的外层电子不易挣脱，它们的导电性能就比较差，成为绝缘体。而常见的半导体材料（如硅）的导电性能不如低价金属那么好，也不如高价元素、高分子物质那么差。

1 PN结的概念

将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。

相邻的两个原子之间最外层电子相互共用，为共价键，在如图1中这样每一个原子都占据一个位置，相互“牵着手”构成非常稳固的结构，但是也不是每一个最外层电子都老老实实的待在自己的那个共价键内，有些“调皮”的电子就会由于热运动而具有足够的能量挣脱共价键的束缚而成为自由电子。与此同时，在共价键中留下一个位置，成为空穴。所以在本征半导体内自由电子数目和空穴数目是相同的。而且其数目会随温度等因素的变化而变化，即其导电性能会随外界因素变化而变化。

通过扩散工艺，我们可以在半导体内掺杂一些杂质从而改变其结构和性能，比如掺杂一些五价元素（如磷），一些磷原子就会取代一些硅原子，由于磷为五价，其最外层四个电子与其他原子形成共价键，多出来一个电子只需一点能量就可以成为自由电子。所以这样的半导体中自由电子多于空穴，称之为N型半导体。若掺入三价元素，如硼元素，相反，此时的半导体中空穴数目多于自由电子数目，形成P型半导体。

若在同一块半导体两边分别掺入三价和五价元素，则该半导体一边为P区，另一边为N区，其中的空穴和自由电子就会如图2所示方向 N区自由电子向P区运动，P区空穴向N区运动，所以在交界面处存在自由电子和空穴的复合，使得交界面处P区空穴浓度和N区自由电子浓度均有下降，中间就会形成电荷区，称之为空间电荷区如图3所示。

这样就会形成一个电场，阻止这种扩散运动的发生。同时，电场也会产生一种与扩散运动相反的运动，漂移运动。这两种运动会不断地进行，但是当参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同就会达到动态平衡，形成PN结。

2 PN结的单向导电性

PN结具有一种特殊的导电性，利用这种导电性就可以构成各种各样的半导体器件，这种导电性被称为单向导电性。

图1：本征半导体中的自由电子和空穴

图2：多数载流子的扩散运动

图3：平衡状态下的PN结

当PN结如图4所示，加正向电压时，P区直接接在电源的正端，N区通过一个电阻接在电源的负端，这时外电场的作用是削弱内电场的，有利于扩散运动而削弱漂移运动，这种扩散运动由于电源的存在会源源不断地形成了“流”，即电流。所以在加正向电压时PN结导通：耗尽层变窄，内部电场变弱，扩散运动加剧，形成扩散电流。

若相反，N区通过一个电阻接在电源的正端，P区直接接在电源的负端，这样外电场和内电场方向一致，会使得空间电荷区变宽，内电厂加强，加剧漂移运动。由于外部电场作用，漂移运动源源不断地进行，形成漂移电流，而漂移运动是少数载流子的运动，少数载流子数目非常少，所以反向电流非常小，故可近似认为其截止。如图5所示。

图4：PN结加正向电压时导通

图5：PN结加反向电压时截止

3 二极管的伏安特性及电流方程

3.1 由实验得出并分析二极管的伏安特性

将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。

如图6（a）所示，接一个这样的电路就可以测出二极管的伏安特性[3]。做出其伏安特性曲线如图6（b）所示。

首先，加正向电压时，并不是一旦有电压，电路就会导通。因为一方面二极管在引出电极的时候会存在较小的电阻，另一个重要的原因在于PN结，PN结在动态平衡的时候是多数载流子的扩散运动，和少数载流子的漂移运动达到平衡，所以要是扩散运动源源不断地进行，外加电场一定要克服内电场的作用。只有电压达到一定程度的时候，二极管才有电流通过。使得二极管导通的电压就是二极管的开启电压。如果电压再大的话，电流就会呈指数增长。

如果加反向电压的话，电压小的时候电流会随电压的增大而增大，而反向电压的值达到一定程度的时候，电流就会几乎不变。因为当增大反向电压，增强内部电场的时候，刚开始参与漂移运动的少数载流子的数目会随电压的增大而增大，但是少数载流子的数目是有限的，当外加电压达到一定程度的时候，几乎全部的载流子都参与了漂移运动，这时候外部电压再增大，电流就几乎不变了。此时的电流就是反向饱和电流。但如果反向电压大到一定程度，就会破坏PN结的结构，此时价电子都会挣脱共价键的束缚，成为自由的，形成电流。

图6：测量二极管伏安特性电路图及伏安特性曲线

3.2 电流方程

由理论分析[1，2]可知，PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系为：

式中IS为反向饱和电流，q为电子的电量，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，将式（1）中的kT/q用UT取代，则得

常温下，即T=300K时，，称UT为温度的电压当量。

4 结束语

常见的半导体材料（如硅）内部结构比较特殊，所以导电性能也比较特殊，可掺杂杂质或光照、热辐射使其导电性可控。这些特殊的性质就决定了半导体可以制成各种电子器件。