PN结的I-V特性、电容及击穿

PN结的I-V特性

PN结正偏时，外加电压全部加在势垒区，与原来自身内建电场相反，削弱了空间电荷区的电场，空间电荷数量减少，宽度变窄。

所以，掺杂浓度越大，也会导致空间电荷区变窄。

当PN结正偏，空间电荷区自建电场被削弱，此时载流子的扩散运动大于漂移运动，形成了扩散电流。两端的多子分别注入到对侧使对侧的少子增加，这个称为PN结的正向注入效应。

这个扩散电流的具体形成过程就是：在正偏压下，n区电子不断向空间电荷区方向漂移，这个过程中也在不断与P区过来的空穴复合，但是n区侧的电子始终是多于空穴的，那么多出来的电子就会继续往对侧p区深处扩散，最终在p区深处与空穴复合，同理p区空穴也会发生相反的过程。所以扩散电流就是电子扩散电流和空穴扩散电流之和。

PN结反偏时，反向偏压与空间电荷区自建电场方向相同，空间电荷数目增多，宽度增大：

由于空间电荷区的电场被增强，空间电荷区的载流子漂移运动增强，此时PN结的电流是漂移电流，PN结的空间电荷反而会推向自身极性区，即电荷抽出效应。

所以反向电流的形成是电荷抽取作用，而不是电荷注入，那么电流大小就和外接反向偏压大小关系不大了，反而和反向抽出的电荷的丰富程度有关了。

综上所述，PN结具有单向导电性，正偏能通过大电流，电压越大电流越大；反之PN结反偏时，电流很小，而且反向电流非常容易达到饱和（就是因为反向抽取电荷数目变化比平衡下电荷数目少）

PN结的电容效应

PN结的单向导电性使得对交流电具有整流作用，但是这种作用只有在交流频率不高的情况下才有很好的体现，为什么当交流频率高时PN结的整流作用就变差了呢？这是因为PN结本身就存在了阻碍整流作用的因素，这个因素就是电容效应。

PN结中的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现电容效应，称为结电容。在反向偏置的PN结中，每单位面积的电容定义为C=dQ/dV，dQ为每单位面积电荷变化量，这是由反向偏压的变化引起的。PN结电容按其产生机制和作用分为扩散电容和势垒电容。

平衡状态下，PN结的空间电荷区没有非平衡的可动电荷，不同极性的载流子分布在空间电荷区的两端，即空间电荷区的两端可以存放电荷，也能释放电荷。所以在外界偏压的变化下，PN结的空间电荷区宽度发生改变，就会引起势垒层的变化，这就是势垒电容。

具体来讲就是，外加正电压增大时，p区空穴和n区电子就会更多的进入到空间电荷区内，并且与原有的空间电荷发生复合，空间电荷区因此变窄，效果上讲就像把器件其它区域的载流子存入原有的空间电荷区内，也称为载流子存储效应。存储电荷量随外加电压的增大而增大，相当于在给势垒区充电。

而当外加电压变小时，相对而言一些空间电荷离开空间电荷区，像是从PN结中抽出载流子，相当于势垒电容放电。

当外加电压不变时，电荷量平衡，就不存在充放电行为了。所以只有在外加电压变化时，势垒电容才会起作用，电压变化频率越高，这种电容效应越明显，那么很明显，势垒电容CB就与空间电荷区的宽度W、结面积S相关了：

PN结正偏时，电流是由p区的空穴和n区的电子相互扩散所形成的。所以在PN结外接正向电压时，大量电子由n区进入p区，p区空穴进入n区。但是，电子进入p区后，不是立刻与p区大量空穴复合而消失，而是，在靠近空间电荷区的一定距离继续扩散，然后再与空穴复合消失。P区空穴同理。所以在外接正偏压变化时，n区的扩散区积累的非平衡空穴和p区积累的非平衡电子也在变化，这种扩散所导致的电荷量变化所产生的电容效应就是PN结的扩散电容CD。

所以综上所述，PN结电容存在两种不同可变电容，在不同电压下组成比例不同。正向电压较低时，扩散运动较弱，扩散电容较小，势垒电容占主要部分；正向电压较大时，扩散运动加剧，扩散电容急剧增大，成为PN结电容的主要部分。

而在反向偏置下，扩散运动被抑制，因此此时势垒电容是结电容的主要部分。

击穿特性

根据PN结的伏安特性曲线可知：在施加反向偏压时，反向电流基本保持在一个很低的水平，这个就是反向饱和漏电流，当反向偏压突然增到到某个值时，这时反向漏电流突然增大。这时候其实存在两种情况：穿通和击穿

穿通是空间电荷区随反向偏压增大而展宽到金属电极处，使得两端短路击穿则是空间电荷区电场随反向偏压增大到材料临界击穿电场时，无法承担阻断作用了，空间电荷区大量电离产生额外的电子和空穴，，故而漏电流急剧增大。

前面讲过，目前我们所利用的PN结都是一侧重掺杂一侧轻掺杂，这样轻掺杂一侧就要可以充分使空间电荷区展宽，外压电压主要由轻掺杂区域承担。这样在PN结发生漏电流增大时，就只能是击穿，而不是穿通（穿通只有在结构复杂的器件中才会存在，比如IGBT等）。那么PN结因反向偏压过大而使晶体大量电离产生大量电子和空穴从而导致击穿，就存在两种击穿机制：雪崩击穿、齐纳击穿。

雪崩击穿是功率器件中最常见的击穿方式。当PN结两侧反向偏压增大时，空间电荷区的电场强度增大，通过空间电荷区的电子和空穴的漂移速度增大，动能增大。这些能量大的载流子不断与晶体原子碰撞，使得原子共价键不断激发出自由电子-空穴对，这就是碰撞电离。新产生的载流子又会在强电场下被加速，获得高能量，继续发生碰撞电离，这样循环往复，导致载流子倍增，称为雪崩倍增效应，这就使得反向漏电流急剧增大，使得PN结反向击穿。

雪崩击穿不仅与电场强度有关，还和空间电荷区的宽度有关，因为载流子获得足够高的能量需要足够的加速距离，而且空间电荷区越宽，载流子碰撞的机会也会增大。空间电荷区与两侧掺杂浓度有关，故而雪崩击穿一般发生在轻掺杂的一侧，因为空间电荷区大部分在轻掺杂的一侧展宽。

齐纳击穿，也称为隧道击穿，只有在重掺杂的PN结才会发生，因为两侧重掺杂时，空间电荷区即使在非常大的反向偏压下，宽度也很窄，电场强度也就集中在这非常狭窄的区域内，所以重掺杂的PN结在不低的反向偏压下的空间电荷区的电场强度是很大，而且本身在重掺杂的半导体中禁带宽度缩窄，有可能会达到使这区域内的价电子跃迁至导带中，而成为自由电子。从能带的角度看，两侧掺杂浓度越高，结的区域能带弯曲越严重，价电子就更有可能在此区域发生跃迁，发生隧道击穿。

除此两种电击穿外，还PN结还存在一种热电击穿。

因为PN结上施加反向偏压时，流经PN结的漏电流会引起热损耗。对应的，当反向偏压越大时，反向电流引起的热损耗也会越大。又因为温度越高，反向漏电流越大，二者相互增益中，使得结温越来越大，漏电流越来越大，直至过热烧毁PN结。由于这种热不稳定性引起的击穿称为热电击穿。

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