1.1.2 PN结二极管基本原理

PN二极管基本工作原理如下：当P型半导体和N型半导体结合在一起时，由于交界面两侧多子和少子的浓度有很大的差别，n区的电子必然向p区运动，这种由于载流子浓度差而引起的运动称为扩散运动。扩散到p区的电子因与空穴复合而消失，同时p区的空穴也要向n区扩散，且与n区中电子复合。这样在交界面附近，多子的浓度骤然下降，出现了由不能移动的带电离子组成的空间电荷区。具体地说，n区一侧出现正离子区，p区一侧出现负离子区。

空间电荷区形成了一个n区指向p区的电场（称内建电场），随着扩散的进行，空间电荷区加宽，内电场加强。由于内电场的作用是阻止多子扩散的，所以由浓度差而产生的多子扩散作用和由多子扩散的结果产生的内电场对扩散的阻碍作用最终将达到平衡，使空间电荷区的宽度不再变化。正、负离子在交界面两边形成的电位差记作φo。

式中，VT为热电压

T为Kelvin温度，k为Boltzmann常数（1.38 × 10-2 3 J/K），q为电子电荷（1.602 × 10-19C）。在室温条件下，VT约为26mV。

当二极管的p区接电源正极，n区接电源的负极，即正向偏置条件下，此时在外电场作用下，多子被推向耗尽层，结果使耗尽层变窄，内电场被削弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。多子的扩散电流通过回路形成正向电流，耗尽层两端的电位差变成零点几伏，所以，不大的正向电压就可以产生相当大的正向电流。此时，二极管的电压电流关系为

式中，VD为二极管的正向偏置电压，IS称为反向饱和电流，与二极管的结面积AD成正比。

正向偏置二极管的结电容（CT）也是集成电路设计中另一个重要参数，其由扩散电容CD和耗尽电容Cj组成，即

由于通常扩散电容要比耗尽电容大，所以二极管正向偏值电容的误差是比较大的，多用于Bipolar集成电路的不精确电容设计。

当PN结二极管反向偏置应用时，即p区接电源负极，n区接正极，此时外电场使耗尽层变宽，加强了内电场，结果阻止了多子的扩散，但促使少子漂移，在回路中形成反向电流。因少子的浓度很低，并在温度一定时少子的浓度不变，所以反向电流不仅很小，而且当外加电压超过零点几伏以后，因少子供应有限，它基本上不随外加电压增大而增加，即反向饱和电流IS在反向偏置件下，耗尽层宽度X与反向偏置电压VR之间的关系为

式中，VR为反向偏置电压，εSI为硅材料相对介电常数（11.8），ε0为真空介电常数（8.854× 10-12F/m）。

如果NA ≫ND，即P区重掺杂，则式（1.6）和式（1.7）变为

即

以上对PN结二极管工作原理、正向及反向特性进行了介绍，在以后章节中将结合具体的电路进行系统分析。