PN二极管制造工艺及原理

PN结能用来作一个很有用的固态器件－－二极管。.11是简化了的PN二极管的结构图。就如它的名字一样，二极管有两个引线端。连往结的P区的称为阳极。另一个连到N区的称为阴极。这两个引线端用来连接二极管和电路。二极管的电路图符号中的箭头代表了阳极，垂线代表了阴极。二极管能做到几乎完美的由箭头指向的单向导电。740)this.width=740" border=undefined>
.11 PN结二极管：简化结构（A）和标准电路图符号（B）。

为了说明二极管是怎么工作的，想象一下一个可调电压源已经接到二极管上。如果电压源被设为0伏，二极管是零偏置。二极管零偏置时是没有电流的。如果二极管的阳极接电源的负极，阴极接电源的正极，那么二极管反向偏置。反向偏置的二极管只有很小的电流流过。如果二极管的阳极接电源的正极，阴极接电源的负极，那么二极管正向偏置。正向偏置的二极管有大电流流过。这正好与图形符号一致：电流顺着箭头流动，而不是逆着。单向导电的器件被叫做整流器。他们主要应用在电源，收音机和信号处理电路中。

二极管的整流作用靠的是结。三种偏置情况都能通过适当的对载流子流经结的分析来解释。零偏置的情况特别简单，因为它和已经讨论过的平衡状态下的结是一样的。结中只有内电场。当二极管接入电路时，导线碰到硅所产生的接触电压正好抵消了结里面的内电场。因此在电路里没有电流。

反向偏置的二极管也很容易解释。反向偏置使得N区的电位更高，而P区的电位更低。穿过结的电压就更大了，所以过剩的少数载流子持续不断的被推回去，多数载流子则被固定在他们原来所在的一边。结上增大的电压使两边更多的杂质原子离子化。所以随着反向偏置的增大耗尽区也在增大。

正向偏置的结就有点复杂了。加在引线两端的电压和内电场是相反的。因此结上的电压下降了，耗尽区也变窄了。由电场引起的漂移电流也同时降低。越来越多的多数载流子能够顺利通过耗尽区。.12图示了载流子的整体流向：空穴从阳极注入到阴极（从左到右），而电子从阴极注入到阳极(从右到左)。在图示的二极管中，空穴电流超过了电子电流，因为阳极掺杂比阴极重，阳极的多数空穴比阴极的多数电子多。一旦这些载流子经过了结，他们就成为了少数载流子并和另一端的多数载流子复合。为了补充电中性的硅中的多数载流子，电流就从引线端流入了。这个图示非常简单，因为它只画出了二极管中载流子的总体流向。还有一些载流子在他们复合前就被电场推了回去。这些载流子对于二极管中的净电流没有影响，所以他们没有被画出来。同样的，少量的由热运动产生的能穿过结的少数载流子也没有画出来，因为他们在正向偏置的二极管的电流里只占很小一部分。
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.12 正向偏置的PN结中的载流子运动。

正向偏置的二极管的电流和所加的电压指数相关（.13）。硅PN结在室温时大约需要0.6伏就可以导通了。（5 广泛引用的值是0.7V，但实际上一个典型的集成电路基极－发射极结在微安级的偏置25℃下的值是接近0.6V而不是0.7V）由于扩散是由载流子的热运动引起的，更高的温度就引起扩散电流指数级的上升。因此PN结的正向电流随着温度的上升也指数级的上升。另一种说法就是，为了维持硅PN结中稳定的电流所需的正向偏置电压以大约2mV/℃下降。

.13也画出了当二极管反向偏置时的小电流。这个电流被称为反向导通或漏电流。漏电流是由硅中热运动产生的少数载流子引起的。加在反向偏置的二极管上的电场的方向和多数载流子的运动方向相反，但它帮助少数载流子的运动。反向偏置帮助少数载流子穿过结。因为在硅衬底中少数载流子的产生率基本上和电场无关，所以漏电流随着反向偏置的电压的变化不大。热运动随着温度上升而增加，所以漏电流和温度相关。在硅中，大约每升高8摄氏度漏电流就翻一倍。在很高的温度下，漏电流开始接近电路的工作电流。因为半导体器件的工作温度受限于漏电流。硅集成电路的结温度通常认为是150℃。（6 有在200℃工作的集成电路，但不是用标准的设计惯例的。参见 R.J. Widlar 和M. Yamatake, “Dynamic Safe-Area Protection for Power Transistors Employs Peak-Temperature Limiting,” IEEE J. Solid-State Circuits, SC-22, #1,1987,p.77-84.）
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.13 二极管导通特性曲线。为了看出25℃时不超过几微微安的反向饱和电流，电流轴被放大了。