PN结的原理以及三极管集电结反向偏置时为何能导通的思考

本征半导体

  本征半导体（intrinsic semiconductor)是完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。主要常见代表有硅、锗这两种元素的单晶体结构。

  硅原子最外层有4个电子，为了达到最外层8个电子的稳定结构，每个硅原子与相邻的硅原子共享它们最外层的4个电子，组成共价键。处于稳定结构的原子不可自由移动。

本征激发

  一般来说，半导体中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量(如光照、温升、电磁场激发等)，一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为近似自由的电子（同时产生出一个空穴），这就是本征激发。这是一种热学本征激发，所需要的平均能量就是禁带宽度。

  本征激发还有其它一些形式。如果是光照使得价电子获得足够的能量、挣脱共价键而成为自由电子，这是光学本征激发（竖直跃迁）；这种本征激发所需要的平均能量要大于热学本征激发的能量——禁带宽度。如果是电场加速作用使得价电子受到高能量电子的碰撞、发生电离而成为自由电子，这是碰撞电离本征激发；这种本征激发所需要的平均能量大约为禁带宽度的1.5倍。

  价电子通过本征激发成为一个自由电子后形成一个带正电的空位，称为空穴（hole），导带中的电子和价带中的空穴合称为电子－空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子（free carrier），它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。在本征半导体中，这两种载流子的浓度是相等的。随着温度的升高，其浓度基本上是按指数规律增长的。

复合

  导带中的电子会落入空穴，使电子－空穴对消失，称为复合（recombination）。复合时产生的能量以电磁辐射（发射光子photon）或晶格热振动（发射声子phonon）的形式释放。在一定温度下，电子－空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时本征半导体具有一定的载流子浓度，从而具有一定的电导率。加热或光照会使半导体发生热激发或光激发，从而产生更多的电子－空穴对，这时载流子浓度增加，电导率增加。半导体热敏电阻和光敏电阻等半导体器件就是根据此原理制成的。常温下本征半导体的电导率较小，载流子浓度对温度变化敏感，所以很难对半导体特性进行控制，因此实际应用不多。

杂质半导体

  在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。

N型半导体

  在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。

  在N型半导体中，自由电子的浓度远大于空穴的浓度，因此自由电子称为多数载流子（简称多子），而其中空穴称为少数载流子（简称少子）。N型半导体主要靠自由电子导电，掺入的杂质越多，自由电子的浓度就越高，导电性能也就越强。

P型半导体

  在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。

  在P型半导体中，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，因此空穴称为多数载流子（简称多子），而其中自由电子称为少数载流子（简称少子）。P型半导体主要靠空穴导电，掺入的杂质越多，空穴的浓度就越高，导电性能也就越强。

  在杂质半导体中，多数载流子的浓度由掺入的杂质浓度决定；少数载流子的浓度主要取决于温度的影响。对于杂质半导体来说，无论是N型还是P型半导体，从总体上看，仍然保持着电中性。

PN结

  上一节说到杂质半导体分为N型半导体和P型半导体，它们的成分如下：

N型半导体包含：自由电子（属于多子，少数由本征激发而来，多数由磷原子提供）、空穴（属于少子，由本征激发而来）、带正电的阳离子（不能移动，磷原子失去一个电子后形成），自由电子数量 = 空穴数量 阳离子数量，整体呈现电中性。P型半导体包含：自由电子（属于少子，由本征激发而来）、空穴（属于多子，少数由本征激发而来，多数由硼原子提供）、带负电的阴离子（不能移动，硼原子空穴得到一个电子后形成），自由电子数量 阴离子数量 = 空穴数量，整体呈现电中性。PN结的形成

  PN结是由一个N型半导体和一个P型半导体紧密接触所构成的，其接触界面称为冶金结界面。

  在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，我们称两种半导体的交界面附近的区域为PN结。

  在P型半导体和N型半导体结合后，由于交界处出现自由电子和空穴浓度差的原因，有一些电子从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。电子和空穴相向扩散时相遇，从而进行复合，电子-空穴对消失。

  它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个空间电荷区。

  在空间电荷区形成后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区形成了内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。显然，这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，阻止多子扩散。

  另一方面，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，内电场减弱。因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，扩散运动加强。

  最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。

PN结的正向偏置

  PN结P极接正，N极接负，这就是所谓的正向偏置，很显然正向偏置时外电场与内电场方向相反，正向偏置将加强多子的扩散运动，阻止少子的漂移运动。

PN结的反向偏置

  PN结P极接负，N极接正，这就是所谓的反向偏置，反向偏置时外电场与内电场方向相同，反向偏置将加强少子的漂移运动，阻止多子的扩散运动。

二极管

  二极管就是由一个PN结组成，正向偏置时多子参与导电，所以电流很大；反向偏置时少子参与导电，所以电流很小（漏电流）。

三极管

  三极管由两个背靠背的PN结组成，可以是NPN组合，也可以是PNP组合。三极管有三个区：

集电区C：集电区与发射区为同一性质的掺杂半导体，但集电区的掺杂浓度要低，面积要大，便于收集电子。基区B：基区尺度很薄:3~30μm，掺杂浓度低。发射区E：发射区高掺杂，为了便于发射结发射电子，发射区半导体掺浓度高于基区的掺杂浓度，且发射结的面积较小。

  三极管有三种工作状态：

截止状态放大状态饱和导通三极管的放大状态

  以NPN型三极管为例，当发射结正向偏置并导通，集电结反向偏置时，三极管工作于放大状态，发射极电流Ie=基极电流Ib 集电极电流Ic。

结论

  前面铺垫了那么多，终于进入今天的主题了，三极管处于放大状态时，发射结处于正向偏置，这时候发射结导通，产生基极到发射极的电流Ib，这一步没问题，正向偏置导通是PN结的特性。那么集电结反向偏置时，为什么还会有大量电流通过呢？这不是有违PN结特性吗？

  个人理解是这样的：发射结正偏时，由多子扩散运动参与导电，大量E区的电子（多子）扩散进入B区，进入B区的电子一小部分流过B极产生电流Ib。

  此时由于集电结为反偏，集电结外部电场与内部电场一致，并且由集电区C指向基区B，强大的电场将进入B区的电子吸引进集电区C，从而形成电流Ic。

  所以对于二极管和三极管来说，同样是反向偏置，二极管不能导通，三极管集电结却可以导通的原因就是二极管P区只有少量的电子可以飘移到N区，从而形成漏电流；三极管基区（NPN的P型半导体）却被注入了大量的电子，这些电子飘移到集电区（NPN的N型半导体）从而形成大电流Ic。

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