[讨论] PN结耗尽区研究

结两边过剩的少数载流子有2个效应。第一个，载流子建立了一个电场。N型硅中过剩的空穴使它带正电，P型硅中过剩的电子则使它带负电。这样就沿着PN结建立了一个N区高电位，P区低电位的电场。

当载流子沿着结扩散时，同时产生了同等数量的离子化的杂质原子。这些原子都固定在晶体结构中，不能移动。在结的P区都是离子化后带负电的acceptors。在结的N区都是离子化后带正电的donors。这样就又建立了一个N区高电位，P区低电位的电场。这个电场会和由载流子建立的电场叠加起来。

载流子在电场里有漂移的趋势。空穴被吸引到结的低电位的P区。同样的，电子被吸引到结的高电位的N区。载流子的漂移和它的扩散形成了对立。从结的P区扩散到N区的空穴又被漂移了回去。从结的N区扩散到P区的电子也被漂移了回去。当扩散电流和漂移电流大小相等，方向相反时，平衡就建立了。随着沿着结的电压达到平衡，结两边的过剩少数载流子浓度也达到了一个平衡值。

平衡时沿着PN结的电压差就是它的内电压，或接触电压。在一个典型的硅PN结中，内电压的值从零点几伏到1伏。重掺杂的结的内电压比轻掺杂的结的大。由于重掺杂时，会有更多的载流子沿着重掺杂的结扩散，所以扩散电流就更大。为了能达到平衡，就需要一个更大的漂移电流，这样就形成了一个更强的电场。所以重掺杂的结的内电压比轻掺杂的大。

尽管内电压是真实存在的，但用电压表是测量不到的。这个难题能通过一个含有PN结和电压表的电路（图1.9）来解释。电压表的两个探针是金属，不是硅。金属探针和硅之间的接触点也能形成结，每个结也有它自己的接触电压。由于两个探针下的硅有不同的掺杂程度，因此两个接触点的接触电压是不同的。这两个接触电压之间的差值正好抵消掉了PN结的内电压，因此在外电路中没有电流。这个情况是注定的，不然的话只要有任何电流就意味着有一个免费的能量源，或某种永动机。内电场的抵消保证了在一个平衡的PN结中不会有能量泄漏出来，也就不可能违反热力学定律。740)this.width=740" border=undefined>
图1.9不可能直接测量内电场的说明。接触电压V1和V3正好抵消了内电场V2。

内电场有两个起因：分散的离子化的杂质原子和分散的带电荷的载流子。载流子可以自由移动，但杂质原子是固定在晶体结构中的。如果杂质原子能够移动的话，他们就会因为和载流子带相反的电荷而互相吸引。他们互相分开就是因为他们是被固定在晶体结构中的。被这些带电的原子占据的区域就形成了一个强电场。任何进入这个区域的载流子都必须快速通过，不然的话它会被电场清除出去。结果，这个区域就在任何时候都只有很少的载流子。因为有带电的杂质原子，这个区域有时也被叫做space charge layer。但通常，由于这里相对较低的载流子浓度，都叫它为耗尽区。

如果耗尽区只有很少的载流子，那么过剩的少数载流子必定会在它两边堆积。图1.10图形化的表示了过剩少数载流子的分布情况。浓度梯度使得载流子扩散到超过结的电中性区。带电的载流子建立的电场又把他们推回到结。很快平衡就建立了，形成了像图1.10中的少数载流子的固定分布状态。
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图1.10 过剩少数载流子在PN结两边浓度是平衡的。

PN结的特性总结如下：载流子沿着结的扩散在耗尽区的两边产生了过剩少数载流子浓度。分散的离子化杂质原子沿着耗尽区产生了一个电场。这个电场阻止多数载流子穿越耗尽区，那些穿越过的载流子最终也被电场退回到另一边。

耗尽区的厚度和结两边的掺杂程度有关。如果两边都是轻掺杂，那么为了有足够的杂质原子来建立内电场就要在硅中有一个很厚的耗尽区。如果两边都是重掺杂，那么只要一个非常薄的耗尽区就能建立必须的电场。因此重掺杂的结有薄耗尽区而轻掺杂的结需要厚耗尽区。如果结的一边掺杂浓度比另一边大的多，那么轻掺杂区的耗尽区要厚的多。这种情况下，轻掺杂硅需要很厚的耗尽区来得到足够的离子化的杂质原子。而在重掺杂区只需要很薄的耗尽区就能得到用来平衡的离子化的杂质原子。图1.10就是结的N区比P区掺杂轻的情况。