功率器件的基础——PN结是怎样形成的？

时间： 2023-12-22 来源：芯长征科技公众号

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半导体的主要器件包括二极管、晶体管、场效应管、集成电路等等。在认识这些器件之前，我们首先要了解一种重要的半导体结构——PN结。

什么是PN结?

PN结(PN junction)是一种半导体结构，也是一种被广泛用来构建各种半导体器件的基础元件。

它是怎么形成的呢?

通过采用不同的掺杂工艺将P型半导体和N型半导体进行紧密接合，从而形成一个具有特殊电学性质的结，直观说就是将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上，在它们的交界面会形成一个空间电荷区，这就称为PN结。

PN结的特殊电学性质在于它具有单向导电性，就好比一个单向阀门，它只允许正向电流通过，而阻止反向电流通过。

在PN结的交界面处，由于P型区和N型区的载流子浓度不同，会发生扩散运动，(“扩散运动”解释详见上期文章)，即电子从N型区向P型区移动，空穴从P型区向N型区移动。这样，P型区会多出一些负电荷，N型区会多出一些正电荷，形成一个空间电荷区或耗尽层。在这个区域内，由于缺少载流子，所以电阻会很大。

同时，在空间电荷区内，由于正负电荷之间的作用，形成了一个内部电场，其方向是从N型区指向P型区。这个内部电场会阻碍扩散运动，并引起漂移运动，即载流子受到内部电场的作用而向相反方向移动。最终，在没有外加电压的情况下，扩散运动和漂移运动达到平衡状态，PN结呈现出一定的内建电势或势垒电压。

我们可以用一个通俗的比喻来理解PN结的形成过程：

假设有两个房间，一个房间里有很多气球(空穴)，另一个房间里有很多飞镖(电子)，两个房间之间有一扇门(交界面)。一开始，门是关着的，两个房间里的气球和飞镖都是均匀分布的。然后，我们打开门，让气球和飞镖可以自由地从一个房间到另一个房间(扩散运动)。这样，气球会从气球多的房间向气球少的房间移动，飞镖也会从飞镖多的房间向飞镖少的房间移动。但是，在移动过程中，气球和飞镖会相互碰撞，并可能发生爆炸(复合)。

这样，在门附近就会形成一个没有气球和飞镖的空白区域(空间电荷区)。同时，在两个房间里就会留下一些爆炸后的碎片(离子)，这些碎片会产生静电力(内部电场)，并阻止更多的气球和飞镖通过门(漂移运动)。

最后，在没有外力作用下，气球和飞镖的移动达到平衡状态，门两边就形成了一个压力差或势能差(内建电势或势垒电压)。

如果你看到这里还没有特别明白，尤其可能对其中一些名词不太熟悉，没关系，下面一一进行解释。

耗尽层

耗尽层就是PN结中空间电荷区的别称，因为在这个区域内，多数载流子被耗尽，只剩下了不可移动的离子。

耗尽层的宽度通常是几十纳米到几百纳米之间，是PN结的关键部分。这个宽度是指从P区到N区的距离，常用W表示，主要取决于P区和N区的掺杂浓度和内建电势。一般来说，掺杂浓度越高，耗尽层越窄;内建电势越大，耗尽层越宽。

内建电场

内建电场是指PN结中空间电荷区内由正负离子产生的静电场，其方向是从N区指向P区。内建电场对载流子有阻碍作用，使得扩散运动减弱，漂移运动增强。内建电场也是PN结具有单向导电性的原因之一。

势垒电压

势垒电压是指PN结中空间电荷区两端形成的电势差，也称为内建电势或接触电势。势垒电压反映了PN结在平衡状态下的能级差异，它决定了载流子跨越PN结所需克服的能量障碍。一般来说，掺杂浓度越高，势垒电压越小;温度越高，势垒电压越小。

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