1.1.2 PN結二極管基本原理

PN二極管基本工作原理如下：當P型半導體和N型半導體結合在一起時，由于交界面兩側多子和少子的濃度有很大的差別，n區的電子必然向p區運動，這種由于載流子濃度差而引起的運動稱為擴散運動。擴散到p區的電子因與空穴復合而消失，同時p區的空穴也要向n區擴散，且與n區中電子復合。這樣在交界面附近，多子的濃度驟然下降，出現了由不能移動的帶電離子組成的空間電荷區。具體地說，n區一側出現正離子區，p區一側出現負離子區。

空間電荷區形成了一個n區指向p區的電場（稱內建電場），隨著擴散的進行，空間電荷區加寬，內電場加強。由于內電場的作用是阻止多子擴散的，所以由濃度差而產生的多子擴散作用和由多子擴散的結果產生的內電場對擴散的阻礙作用最終將達到平衡，使空間電荷區的寬度不再變化。正、負離子在交界面兩邊形成的電位差記作φo。

式中，VT為熱電壓

T為Kelvin溫度，k為Boltzmann常數（1.38 × 10-2 3 J/K），q為電子電荷（1.602 × 10-19C）。在室溫條件下，VT約為26mV。

當二極管的p區接電源正極，n區接電源的負極，即正向偏置條件下，此時在外電場作用下，多子被推向耗盡層，結果使耗盡層變窄，內電場被削弱，有利于多子的擴散而不利于少子的漂移。多子的擴散電流通過回路形成正向電流，耗盡層兩端的電位差變成零點幾伏，所以，不大的正向電壓就可以產生相當大的正向電流。此時，二極管的電壓電流關系為

式中，VD為二極管的正向偏置電壓，IS稱為反向飽和電流，與二極管的結面積AD成正比。

正向偏置二極管的結電容（CT）也是集成電路設計中另一個重要參數，其由擴散電容CD和耗盡電容Cj組成，即

由于通常擴散電容要比耗盡電容大，所以二極管正向偏值電容的誤差是比較大的，多用于Bipolar集成電路的不精確電容設計。

當PN結二極管反向偏置應用時，即p區接電源負極，n區接正極，此時外電場使耗盡層變寬，加強了內電場，結果阻止了多子的擴散，但促使少子漂移，在回路中形成反向電流。因少子的濃度很低，并在溫度一定時少子的濃度不變，所以反向電流不僅很小，而且當外加電壓超過零點幾伏以后，因少子供應有限，它基本上不隨外加電壓增大而增加，即反向飽和電流IS在反向偏置件下，耗盡層寬度X與反向偏置電壓VR之間的關系為

式中，VR為反向偏置電壓，εSI為硅材料相對介電常數（11.8），ε0為真空介電常數（8.854× 10-12F/m）。

如果NA ?ND，即P區重摻雜，則式（1.6）和式（1.7）變為

即

以上對PN結二極管工作原理、正向及反向特性進行了介紹，在以后章節中將結合具體的電路進行系統分析。