半导体PN结 - Semiconductor PN Junction

交互式PN结物理、能带图和I-V特性曲线可视化

PN结结构

P型（受主）
N型（施主）
耗尽层
内建电势: 0.70 V
耗尽层宽度: 0.50 μm
电场强度: 1.40×10⁴ V/cm

能带图

导带
价带
费米能级
带隙: 1.12 eV (Si)
势垒高度: 0.70 eV

I-V特性曲线

电流: 0.00 mA
电压: 0.00 V
工作模式: Equilibrium

载流子浓度分布

PN结参数

PN结方程式

本征载流子 nᵢ²(T) = N_c·N_v·exp(-E_g/kT)
内建电势 V_bi = (kT/e)·ln(N_A·N_D/nᵢ²)
耗尽层宽度 W = √(2ε·V_bi/e·(1/N_A + 1/N_D))
二极管方程 I = I₀(e^(eV/kT) - 1)
饱和电流 I₀ ∝ nᵢ² ∝ T³·exp(-E_g/kT)
常数: k = 8.617×10⁻⁵ eV/K, e = 1.602×10⁻¹⁹ C, ε_Si = 11.7ε₀

什么是PN结？

PN结是由P型和N型半导体连接形成的。P型区域有过量的空穴（正电荷载流子）来自受主掺杂，N型区域有过量的电子（负电荷载流子）来自施主掺杂。在结处，载流子跨越边界扩散，形成具有内建电场的耗尽层，该电场阻挡进一步的扩散。

PN结形成

载流子扩散：当P和N材料连接时，浓度梯度导致空穴从P扩散到N，电子从N扩散到P。

耗尽层：随着载流子扩散，它们留下电离的掺杂剂（P中为负受主，N中为正施主），形成缺乏可移动载流子的空间电荷区。

内建电势：空间电荷产生电场和势垒（硅的V_bi ≈ 0.7V），在平衡时平衡扩散和漂移电流。

能带：能带在结附近弯曲，N区的导带和价带比P区高e·V_bi，保持费米能级恒定。

偏置模式

正向偏置 (V > 0)：在P区施加正电压降低势垒高度，允许大电流指数流动 (I ∝ e^(eV/kT))。用于LED、整流器。

反向偏置 (V < 0)：P区的负电压增加势垒，扩展耗尽层。只有小的漏电流流动（少数载流子漂移）。

击穿：在大反向电压下，雪崩倍增或齐纳隧道导致电流突然增加。雪崩击穿发生在较高掺杂的结（> 6V），齐纳发生在重掺杂（< 4V）。

应用领域

如何使用本可视化

平衡状态 正向偏置 反向偏置 击穿状态