PN结二极管的结构以及整流作用

PN结二极管的结构以及整流作用

首先介绍作为半导体器件的PN结二极管(jucction diode)。这种器件是许多器件的基础，因此非常重要，而且其对于理解能带图来说非常有用。

PN结二极管的构造

图 (ａ) 是PN结二极管的结构，N型半导体的基板上有P 型半导体的区域。为了简化问题，使用如图 (ｂ)所示的一维结构的PN结二极管进行说明。这是图 (ａ) 中的A-A'部分截取区域对应的结构。而图 (ｃ) 是PN结二极管的符号，并标出了电流的流动方向。

如下图表示的是电流电压特性，正电压V被施加到二极管时，会产生电流I，并且其大小会随着电压成指数函数形式增大、这也被称为正向偏置(forward bias)1。相反，如果加上负的电压，基本上无电流流动，被称为反向偏置(reverse bias)。

如果进一步增大负的电压，会导致二极管被击穿，而使得电流非常大。本文不涉及这种现象。

整流作用

PN结二极管的主要作用是将交流电转换为直流电。

图 (ａ) 所示是整流电路，像图 (ｂ) 所展示的那样，只有在输入电压Vin为正的时候，才会有电流I流动，并使得负载电阻RL上产生电压降Vout，Vout=IRL在正的时候会有电流I流动2，如果是负的，则不存在电流。这被称为半波整流(half-wave rectification)。增加电容等器件3，可以使得Vout的波形进一步平滑化，最终变成直流电。

能带图（ 接地时）

首先说明一下能带图。如下图ａ所示，半导体的右侧加-0.5V的电压后会产生电场。能带图图ｂ)虽然是向上倾斜的，只是由于电子获得的能量而使得其变得像图ｂ一样右侧被抬高0.5eV。由于漂移的关系，电子ｅ会向左运动，而空穴ｈ会向右移动。势能是一种位能，因此电子放出能量后，会朝Ec落下来。另一方面，空穴在放出能量后，会朝着Ev像泡泡一样往上冒。

接合之前的能带图

让我们考虑一下Ｎ区与Ｐ区在接合之前各自的能带图。下图 (ａ) 是接合前的Ｎ区与Ｐ区，图(ｂ) 是其各自的能带图。在这个例子中，让浓度为1016cm-3的As掺杂形成的Ｎ区以及用浓度为1015cm-3的Ｂ掺杂形成的Ｐ区进行接合，形成二极管。

接合之后的能带图

接下来考虑一下接合后的状态(处于不外加电压时的热平衡状态)。如下图所示，首先电子和空穴会朝浓度较低的方向扩散。电子会进入Ｐ区，空穴会扩散至Ｎ区，接合面附近会因为充满了电子和空穴，以至于电子和空穴的乘积超过了热平衡的ＰＮ积数值，即ni2。因此电子和空穴会复合，释放出声子(phonon)5或者光子(phonon)6。其结果是PN结附近的电子以及空穴会比掺杂浓度低，形成电子密度以及空穴密度可以忽略不计的耗尽层(depletion layer)。而耗尽层中存在电离的施主(As+) 以及受主(B-)。此时，会形成电场，而且其电场线是从As+出发指向B的。

接合瞬间会形成扩散电流，只是这种扩散电流没多久就因为在上述电场的作用下形成的漂移电流而被平衡掉，也就是说这时的净电流为０。

能带图对于理解PN结的工作原理非常有用，使用下图来说明热平衡状态下的能带图画法。