1、摻雜的半導體

如果將本徵半導體進行摻雜處理，我們可以得到P型半導體和N型半導體。如圖1-1，P型半導體以空穴作為多數載流子，N型半導體以電子作為多數載流子。如果單純的對摻雜半導體進行通電，我們會發現半導體的導電能力大大增強了（相對於本徵半導體），在相同摻雜濃度的半導體中，N型半導體體的導電能力更強（電子的遷移率大約是空穴遷移率的3倍）。

圖1-1 本徵半導體與摻雜半導體

2、載流子的擴散與漂移

如果將一個P型半導體和一個N型半導體合在一起，那麼由於擴散運動，N型半導體內的電子會跑到P型半導體中和空穴複合；P型半導體的空穴會跑到N型半導體內與電子複合。那麼這個時候在結合面的附近P型半導體空軌道被電子填滿形成帶負電的粒子，而N型半導體失去自由電子，形成帶正點的粒子，擴散運動形成了正負粒子構建的內電場。隨著擴散深度的加強，內電場的場強在增加，此時進入電場內的載流子被加速：電子逆著電場方向移動，空穴沿著電場方向移動，P型半導體獲得空穴，N型半導體獲得電子，從而使內建電場強度減弱形成「負反饋」。最終PN 結的內建場強處於一個動態平衡之中，如圖2-1。

在PN接面的內建電場區域幾乎沒有自由移動的載流子，而正負粒子被晶格所束縛不能自由移動。這個空間區域稱為空間電荷區，也叫耗盡層，也叫勢壘區。在初學類比電路的時候，我們經常會被這三個名詞所困惑，這裡我們不妨再看一下：空間電荷區是按照電荷特性劃分的，該部分是不能自由移動的電荷；從電場的角度來看，內建電場阻礙了載流子的擴散，就像一堵牆一樣，如果載流子要通過這個區域必須獲得克服該勢壘的能量；從載流子的角度來看，這裡的電子和空穴進行了複合，彷彿附近的載流子被消耗了一般，因此也稱為耗盡層。所以，空間電荷區 = 勢壘區 = 耗盡層。

圖2-1 PN接面的結構與內建電場

3、PN接面的開關特性

PN接面形成的耗盡層，可以說是整個半導體工業的基礎結構：因為其單相導電性。如圖3-1，如果我們在P型半導體加上正電壓，N型半導體加上負電壓，P型半導體電子被抽走，剩下空穴；N型半導體獲得電子補充。外部電壓提供的電子和空穴在耗盡層進行復合，空間電荷區減小，形成源源不斷的電流流動。相反，如圖3-2，如果在P型半導體上加上負電壓，N型半導體上加上正電壓，P型半導體獲得多餘的電子；N型半導體電子被抽走，留下帶正電的空穴，空間電荷區增加，內建場強增加，阻礙電子的漂移運動，PN接面保持截止狀態。

圖3-1 PN接面的正向導通

圖3-2 PN接面反向截止

4、溫度對PN接面的影響

在使用半導體器件中，經常碰到一個概念，就是這個器件的某個引數（比如等效阻抗，擊穿電壓）是正溫度係數還是負溫度係數。溫度對半導體的特性有著至關重要的影響，那麼在微觀層面溫度是如何影響PN接面的呢? 溫度的升高一方面可以提高半導體的本質載流子激發，一定程度提高了載流子濃度，更多的載流子參與導電電阻率降低；另外一方面，溫度的上升導致晶格的振動增強，載流子的平均自由程變短，載流子的遷移率降低，電阻率升高。

由於工藝和應用場景不同，不同型號的二極體正向導通壓降呈現正溫度係數或者負溫度係數。如圖4-1，兩個相同二極體並聯。如果二極體特性如左圖，其中一個二極體溫度較高，那麼該二極體分流的電流就越大，而電流越大溫度越高，進一步加劇該二極體的分流，導致最終該二極體承受絕大部分的電流，可能引起二極體的熱失效；如果二極體特性如右圖，在大電流條件下，正溫度係數的管壓降能夠自動對並聯二極體進行均流，該特性的二極體才滿足並聯使用條件。

圖4-1 二極體正向導通溫度曲線

而對於二極體反向耐壓而言，溫度的降低意味著晶格振動的減弱，載流子更容易漂移通過勢壘區，形成反向擊穿電流。隨著溫度的升高，二極體的反向耐壓是降低的。

5、齊納擊穿和雪崩擊穿

如果我們使用兩個重摻雜的P型半導體和N型半導體制造二極體，那麼載流子的濃度會很高，PN接面的耗盡層會非常的薄。這時候加上反向電壓能夠輕鬆幫助載流子穿過勢壘區，從而獲得一定的反向電流，這種擊穿稱為「齊納擊穿」，該二極體稱為齊納二極體。如圖5-1，進入反向擊穿區（Reverse breakdown），電流迅速增大，電壓保持不變，因此也稱為「穩壓二級管」。

簡單來說，使用高摻雜的半導體形成較薄的耗盡層，載流子的遷移過程中晶格和雜質離子對載流子的散射作用比較有限，可以忽略。載流子可以很輕易的穿過耗盡層，形成耗盡層的擊穿。但是這種擊穿能量又不高，是一種可恢復的擊穿。隨著溫度的升高，耗盡層內的載流子活性增強，擊穿電壓降低。漏電流增加，這在電路設計時需要注意。

圖5-1 齊納二極體特性曲線

對於普通摻雜的二極體，同樣的溫度的升高會使得耗盡層內的載流子活性增強，更容易被激發出來。但是由於耗盡層的距離較遠需要穿過更多的晶格，晶格的振動增強，載流子的平均自由程變短，從而使二極體的耐壓提高。二極體反壓後需要更多的能量將載流子加速，才能穿過勢壘區，形成反向電流。在加速的電子過程中，由於電場很強，加速電子後很容易轟擊出其他接近電離的粒子（想象下大力出奇跡地轟擊檯球），於是雪崩效應發生了。雪崩效應電離出的載流子越來越多，最終電流也越來越大，形成擊穿電流，燒燬二極體。

比較下齊納擊穿和雪崩擊穿，如圖5-2可以看出，雪崩擊穿的曲線拐點較緩慢，而齊納擊穿的拐點較陡。並且先發生齊納擊穿，再發生雪崩擊穿，雪崩擊穿能量要比齊納擊穿的能量大得多。

圖5-2 齊納擊穿與雪崩擊穿

參考資料：