PN结 · aiwiki.page

PN结是半导体中p型区域与n型区域之间的交界及其相应的过渡区。交界附近载流子的重新分布会形成内建电场和势垒。外加电压会改变势垒及载流子的流动，使结在一个方向上比在相反方向上更容易导电。这一特性是半导体二极管的工作基础，而PN结处的载流子注入与收集也是晶体管、发光器件和光伏电池工作的基础。(ocw.mit.edu)

半导体区域与制造

在n型半导体中，电子是多数可移动载流子；在p型半导体中，电子空穴是多数载流子。空穴表示一个未被电子占据的电子态，其行为相当于带正电的载流子。p型材料中的电子和n型材料中的空穴称为少数载流子。这类载流子的分布通常通过半导体掺杂来建立：施主杂质提供电子，受主杂质则产生空穴。“p”和“n”表示占主导地位的可移动载流子类型，并不意味着材料整体带正电或负电；材料整体近似呈电中性。(ocw.mit.edu)

实际的结通常通过改变半导体结构内部的掺杂分布来形成，而不是将两块材料机械地压在一起。在硅加工过程中，可以通过热扩散或离子注入引入掺杂剂。后续热处理会使掺杂剂重新分布，并确定结深及掺杂浓度分布。注入损伤及其相对于最终耗尽区的位置十分重要，因为缺陷可能增大结的漏电流。(ocw.mit.edu)

耗尽区与平衡

当p型与n型区域形成电接触时，载流子浓度差会驱动扩散：电子从n侧向p侧移动，空穴则沿相反方向移动。载流子的重新分布和复合使交界附近形成一个可移动载流子较少的区域。这个**耗尽区**也称为空间电荷区，其中存在未被补偿的电离杂质电荷：p侧是带负电的受主，n侧是带正电的施主。(ocw.mit.edu)

这些固定电荷产生一个从n侧指向p侧的电场。电场引起的载流子漂移与扩散方向相反。在热力学平衡状态下，每一类载流子的漂移电流与扩散电流相互抵消，因此净电流为零，尽管载流子在微观层面仍不断运动。耗尽区之外是近似呈电中性的区域，称为准中性区。(left.engr.usu.edu)

在电子能带结构图中，导带边缘和价带边缘在结区发生弯曲，而平衡状态下的费米能级在空间上保持恒定。对于满足载流子统计非简并、掺杂杂质完全电离，且准中性区载流子浓度主要由掺杂决定这些条件的同质结，内建电势为

V_{\mathrm{bi}}=\frac{k_{\mathrm B}T}{q} \ln\!\left(\frac{N_A N_D}{n_i^2}\right),

其中， $k_{\mathrm B}$ 为玻尔兹曼常数， $T$ 为绝对温度， $q$ 为正的元电荷， $N_A$ 和 $N_D$ 分别为受主浓度和施主浓度， $n_i$ 为本征载流子浓度。因此，内建电势取决于掺杂、温度和半导体材料。(ocw.mit.edu)

外加电压与整流

结电压 $V$ 通常定义为p侧相对于n侧的电势。

正向偏置，即 $V>0$ ，会降低势垒。电子被注入p区，空穴被注入n区，并在这些区域中成为过剩少数载流子。
反向偏置，即 $V<0$ ，会升高势垒并拓宽耗尽区。多数载流子的注入受到抑制，但到达耗尽区的少数载流子仍可被收集至另一侧。

由此产生的电流不对称性称为整流。因此，反向偏置并不意味着电流严格为零。(openlearninglibrary.mit.edu)

对于处于稳态的理想结，**肖克利二极管方程**为

I=I_S\left[\exp\!\left(\frac{qV}{k_{\mathrm B}T}\right)-1\right].

其中， $I_S$ 为反向饱和电流。在理想的长基区、低注入模型中，

I_S=qA n_i^2 \left(\frac{D_n}{L_nN_A}+\frac{D_p}{L_pN_D}\right),

其中， $A$ 为结面积， $D_n$ 和 $D_p$ 为少数载流子的扩散系数， $L_n$ 和 $L_p$ 为扩散长度。正向电流随电压呈指数增长，而反向电流在击穿前趋近于 $-I_S$ 。该方程描述的是连续的伏安特性，而不是一个界限分明的导通阈值。(ocw.mit.edu)

耗尽区宽度与电容

耗尽近似忽略空间电荷区内的可移动电荷，并将相邻区域视为电中性。对于均匀掺杂的突变结，电荷平衡要求

N_Ax_p=N_Dx_n,

其中， $x_p$ 和 $x_n$ 分别为耗尽区在p侧和n侧的宽度。因此，耗尽区向掺杂较轻的一侧延伸得更远。如果一侧的掺杂浓度远高于另一侧，该结构可近似视为单边结。(ocw.mit.edu)

在这些假设下求解泊松方程，可得总宽度

W=x_p+x_n= \sqrt{\frac{2\varepsilon_s}{q} \left(\frac{1}{N_A}+\frac{1}{N_D}\right) (V_{\mathrm{bi}}-V)},

其中， $\varepsilon_s$ 为半导体的电容率。该表达式适用于耗尽近似仍然成立的情况：反向偏置使 $W$ 增大，正向偏置则使其减小。(openlearninglibrary.mit.edu)

电压变化也会改变储存的空间电荷，从而产生微分结电容。对于平面突变结，

C_j=\frac{\varepsilon_sA}{W}.

因此，反向偏置会通过增大耗尽区宽度来减小电容。电容—电压测量可以揭示内建电压和掺杂浓度；改变偏置会移动耗尽区边界，从而可以提取掺杂浓度分布。(left.engr.usu.edu)

电荷存储与开关过程

正向注入会在准中性区中储存过剩少数载流子。这些存储电荷随电压变化，由此产生扩散电容，它与耗尽电容不同。在较明显的正向偏置下，扩散电容可能占主导地位；而在反向偏置下，通常由耗尽电容占主导地位。(archive.nptel.ac.in)

外加电压反向时，处于导通状态的结不一定会立即停止导电。存储的载流子必须先被抽取出去或发生复合，这会产生一个暂时的反向电流，这一过程称为**反向恢复**。恢复过程取决于少数载流子寿命、此前的正向电流以及外部电路。这种动态行为并未包含在稳态二极管方程中。(archive.nptel.ac.in)

反向击穿

当反向电场足够强时，其他机制会产生很大的反向电流：

齐纳击穿涉及穿过狭窄结势垒的量子隧穿。
雪崩击穿涉及碰撞电离：被加速的载流子产生更多电子—空穴对，使电流倍增。

这两种机制都超出了理想二极管模型中通常的反向饱和行为。(openlearninglibrary.mit.edu)

结的结构

不同的结在掺杂浓度分布和半导体组成方面均有差异：

突变结采用p型与n型掺杂之间呈阶跃变化的模型。
渐变结的掺杂浓度分布连续变化，其电压—电容关系不同于突变结。
同质结两侧使用相同的半导体材料。
**异质结**连接不同的半导体材料。能带边缘的差异会引入额外的势垒和载流子限制效应，因此简单的同质结模型不足以描述其行为。

掺杂浓度分布的设计可控制耗尽区和电荷存储，而异质结设计则能进一步调控电子与光学特性。(archive.nptel.ac.in)

应用

整流与电子控制。 配有电接触的PN结构成结型二极管。在双极结型晶体管中，相互耦合的结使通过一个结注入的载流子能够穿过薄基区，并被另一个结收集。少数载流子注入是这一工作过程的核心。(ocw.mit.edu)

光探测与光伏转换。 被吸收的光子可以产生电子—空穴对。在耗尽区内产生的载流子，或通过扩散到达耗尽区的载流子，可以被内建电场分离并收集。这会在光电二极管中产生光电流，并使太阳能电池能够发电。载流子的收集与复合相互竞争，在耗尽区外产生的载流子也不例外。(ocw.mit.edu)

发光。 在发光二极管中，注入的电子与空穴可以发生辐射复合。半导体的带隙和能够发生的复合过程决定了所发出的光及转换效率。半导体激光器也利用结注入，并配合光学反馈与载流子限制结构。(ocw.mit.edu)

历史发展

1940年，拉塞尔·奥尔在贝尔实验室发现了硅PN结。他的研究将异常强烈的光电响应与杂质特性不同的相邻硅区域联系起来。PN结为后来的半导体光伏器件和电子器件奠定了重要基础。(ethw.org)

威廉·肖克利于1948年1月构想出结型晶体管，并于1949年发表了关于PN结和结型晶体管的理论。这一理论阐述确立了少数载流子注入在结型晶体管工作中的核心地位，并推动人们从定量层面理解PN结这一器件结构。(computerhistory.org)

参考来源

Lecture 18: The P-N Junction (The Diode)ocw.mit.edu
Handout 3: P–N Junctionopenlearninglibrary.mit.edu
PN Junctionsleft.engr.usu.edu
012 Microelectronic Devices and Circuits, Lecture 14ocw.mit.edu
Diodes in the Darkocw.mit.edu
Physics of Microfabrication: Front End Processing, Lecture 8 Transcriptocw.mit.edu
Physics of Microfabrication: Front End Processing, Lecture 13 Transcriptocw.mit.edu
Module 2: PN Junction (IV), Dynamic Characteristicsarchive.nptel.ac.in
Lecture Notes: Compound Semiconductor Devicesocw.mit.edu
007 Lecture 45: Semiconductorsocw.mit.edu
Oral-History: Russel S. Ohlethw.org
Who Invented the Diode?computerhistory.org