【電腦的物理實現】PN結的伏安特性

上一篇文章寫了把PN結接在電路裡的單嚮導電性，這篇文章說明下把PN結接入電路後電流與電壓之間的關係，也就是PN結的伏安特性。

直接

首先說明一下，座標軸橫軸為電壓，縱軸為電流。橫軸的正半軸表示正向偏置，負半軸表示反向偏置。紅線代表矽，藍線代表鍺。

首先解釋下正向偏置為什麼是這樣的曲線。

因為擴散運動會使pn結產生一個內電場，而外加的電壓需要克服這個內電場才能導通電流。這個電壓稱為死區電壓。如果是矽材料，數值大概是0.5V左右，如果是鍺材料，數值大概是0.1V左右。當外加的正向電壓在這個數值之上以後，我們知道內電場的形成就是因為PN結兩端有正負電荷的積累。而一旦客服了內電場這些電子就能參與到電路中，電流的大小就會隨電壓增大呈現指數增長。

我們再看反向偏置。

反向偏置因為外電場的方向與內電場一致，所以沒有死區電壓這東西。所以電流大小隨電壓的增大而增大。但是電流增大的一定數值就不再增大了。因為P區的自由電子數量有限。再大也就那麼點。然後我們看圖，當反向電壓的大小大到一定程度時，電流會突然暴增。這個現象稱為反向擊穿。這個電壓稱為擊穿電壓。擊穿電壓數值因材料在幾十V到幾千V不等。那產生這麼大電流的那些電子哪來的呢？或者說擊穿是怎麼回事呢？接下來說明一下。

擊穿有兩種情況，一種是齊納擊穿，另一種是雪崩擊穿。

在高摻雜的情況下，因為電子-空穴的密度大，所以形成的空間電荷區就比較窄，至於高摻雜為什麼比較窄呢？我們知道空間電荷區的寬度和P區的負離子和N區的正離子數量有關，在高摻雜的情況下擴散運動和漂移運動過程中正負離子密度大那麼內電場增強很快所以很快就動態平衡了，那麼PN結也就比較窄。因為空白間電荷區比較窄，那麼不大的反向電壓（一般是6v以下）就可以在PN結產生一個很強的電場。這個電場會破壞共價鍵，共價鍵一破壞，原來組成共價鍵的那些電子就跑出來了，也就形成了巨大的電流。這就是齊納擊穿。

如果在低摻雜的情況下，因為電子-空穴密度小，所以形成的空間電荷區就比較寬，這樣很難在PN結產生一個很強的電場。但是如果反響電壓大到一定程度，依然會P區做漂移運動的電子獲得較大的速度。然後把共價鍵的電子撞飛，而共價鍵的電子被撞飛以後也獲得很大的速度，又把別的共價鍵的電子撞飛。這樣就像雪崩一樣產生了大量電子，也就形成了巨大的電流。這就是雪崩擊穿。

所以當反向電壓大到一定程度的時候都會發生擊穿，如果是高摻雜的情況下發生齊納擊穿，如果是低摻雜的情況下發生雪崩擊穿。甚至正向電壓如果太大也會發生擊穿。

另外擊穿是很危險的，因為功率 = 電流 * 電壓。如果電流暴增那麼功率也會暴增。功率一大就發發出大量的熱，如果熱量散不出去就會使半導體燒壞。燒壞就是一種化學變化了，是無法復原的。