PN结特性及反向饱和电流与反向漏电流详解
目录
1 PN结介绍
1.1 形成过程：
编辑1.2 内建电场
1.3耗尽区：
1.4单向导电性
1.5击穿电压
2. PN结的电流方程
3. 反向饱和电流
4. 反向饱和电流与反向漏电流的区别
1 PN结介绍
PN结是半导体器件中最基本的结构之一，由P型半导体和N型半导体材料制作在同一块硅片上，在它们的交界面便形成了PN结。以下是关于PN结的一些关键信息：
1.1 形成过程：
扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运行。 当P型半导体和N型半导体相互接触时，由于P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子浓度差异，会形成一个浓度梯度，导致空穴从P型区域向N型区域扩散，电子从N型区域向P型区域扩散。
1.2 内建电场
由于空穴和电子的扩散，会在PN结的交界面附近形成一个空间电荷区，空间电荷区是由不能移动的磷原子带正电和硼原子带负电所组成。这个区域由于电荷的分离而产生一个内建电场，这个电场的方向是从N型半导体指向P型半导体。形成空间电荷区后，在无外电场和其它激发的情况下，内电场的作用下，少子会形成漂移运动，当参与漂移运动的少子数量等于扩散运动的多子数量时，达到动态平衡，形成PN结。
1.3耗尽区：
内建电场的存在使得空间电荷区中的自由载流子（电子和空穴）被扫清，形成了一个几乎没有自由载流子的区域，这个区域被称为耗尽区或 depletion region。当P区与N区杂质浓度相等时，负离子区与正离子区宽度相等，称为对称结。而当两边杂质不相等时，浓度高一侧的离子区宽度低于浓度低一侧的离子区宽度，称为不对称结。
1.4单向导电性
PN结具有单向导电性，即只允许电流从P型半导体流向N型半导体。当外加电压与内建电场方向一致时（正向偏置），耗尽区变窄，电流容易通过；当外加电压与内建电场方向相反时（反向偏置），耗尽区变宽，电流难以通过。
当PN外加正向电压时，外电场将多数截流子推向空间电荷区，使其变窄，削弱了内电场，破坏了原来的平衡，使扩散运动加剧，漂移运动减弱。由于电源的作用，扩散运动将源源不断地进行，从而形成正向电流，PN结导通。
1.5击穿电压
当反向偏置电压增加到一定程度时，PN结会发生击穿，此时电流急剧增加。击穿可以是雪崩击穿或齐纳击穿，具体取决于材料特性和结构。
2. PN结的电流方程
PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系为
式中：IS为反向饱和电流
q为电子的电量：
k为玻尔兹曼常数：8.63*10-5eV/K
T为热力学温度：T（K）=t（℃）+273.15
在半导体物理中，PN结的反向饱和电流是一个重要的参数，它描述了在特定反向偏置电压下流过PN结的电流。这个电流主要是由少数载流子（即P型半导体中的电子和N型半导体中的空穴）的漂移运动形成的。
3. 反向饱和电流
反向饱和电流的计算公式通常与温度有关，并且可以用以下公式表示：
IS是反向饱和电流，
• A是PN结的横截面积，
• q是电子电荷，
• ni是本征载流子浓度，
• NA和ND分别是P型和N型掺杂剂的浓度，
• Dp和Dn分别是空穴和电子的扩散系数，
• Lp和Ln分别是空穴和电子的扩散长度，
• V是外加的反向偏置电压，
• k是玻尔兹曼常数，
• T是绝对温度。
这个公式表明，反向饱和电流与温度有很强的关系，随着温度的升高，反向饱和电流会增加。此外，反向饱和电流还与PN结的掺杂浓度、扩散系数和扩散长度有关。在实际应用中，这个公式可以用来估算在给定条件下的反向饱和电流。
4. 反向饱和电流与反向漏电流的区别
反向饱和电流（Reverse Saturation Current）：
反向饱和电流是指在PN结处于反向偏置状态时，流过PN结的电流达到一个稳定值。这个电流主要是由少数载流子（即P型半导体中的电子和N型半导体中的空穴）的漂移运动形成的。由于少数载流子是由本征激发产生的，在一定温度下，热激发产生的少子数量是一定的，因此电流趋于恒定，这个恒定的电流就是反向饱和电流。反向饱和电流的大小主要取决于温度，而几乎与外加电压无关。
反向漏电流（Reverse Leakage Current）：
反向漏电流是指在二极管的PN结加与内建电场反方向的电压后形成的电流。它是反向电流的一种，包括了反向饱和电流以及可能存在的其他泄漏路径产生的电流，如器件表面和内部的缺陷、有害的杂质等引起的电流。在实际中，二极管PN结内的电流可能还有其它泄漏路径，因此漏电流往往比饱和电流大。
总结来说，反向饱和电流是理想情况下PN结在反向偏置时由少数载流子漂移运动形成的恒定电流，而反向漏电流则是实际二极管在反向偏置时流过的总电流，包括了反向饱和电流以及其他可能的漏电路径产生的电流。在理想情况下，反向漏电流与反向饱和电流相等，但在实际应用中，由于各种额外的漏电因素，反向漏电流通常会大于反向饱和电流。
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