PN结特性分析及击穿机制详解

# PN结特性分析及击穿机制详解
## 1. PN结及其能带图
### 1.1 定义
- PN结是 P 型与 N 型半导体结合的结构
### 1.2 形成过程
1. P 区的空穴扩散到 N 区
2. N 区的电子扩散到 P 区
3. 形成耗尽区，存在固定离子电荷
4. 内建电场的形成，阻止载流子扩散
### 1.3 能带图
- 热平衡下的费米能级 E_F 平坦
- P 区的价带和导带高于 N 区
- 耗尽区中存在能带弯曲
### 1.4 势垒高度
- 计算公式：
  - V_b = \frac{kT}{q}\ln\left(\frac{N_A N_D}{n_i^2}\right)

## 2. PN结的电流与电压特性
### 2.1 正向偏置
- 外加电压降低势垒高度
- 电流与正向电压的关系：
  - I = I_s\left(e^{\frac{qV}{kT}} - 1\right)
### 2.2 反向偏置
- 外加电压增加势垒高度
- 反向电流由少数载流子引起，几乎恒定
### 2.3 I-V特性曲线
- 正向：指数增长特性
- 反向：电流饱和特性（未击穿前）

## 3. PN结的电容
### 3.1 定义
- PN结电容由耗尽区变化引起
### 3.2 结电容 (Cj)
- 在反向偏置下，耗尽区宽度 W 增加导致电容减少
- 公式：C_j = \frac{\epsilon A}{W}
### 3.3 扩散电容 (Cd)
- 正向偏置下，因注入载流子的积累而形成
- 公式：C_d \propto I
- 随正向电流增大而增大

## 4. PN结击穿
### 4.1 定义
- 反向偏置电压达到某临界值时发生击穿
### 4.2 击穿机制
#### 4.2.1 齐纳击穿
- 低掺杂浓度，高反向电场
- 电子隧穿至导带
- 特点：低击穿电压（小于 5V）
#### 4.2.2 雪崩击穿
- 高掺杂浓度，低电场
- 高能载流子引发连锁电离
- 特点：高击穿电压
### 4.3 击穿电压 V_BR
- 击穿后电压保持不变，电流迅速增加
### 4.4 应用
- 齐纳二极管：利用齐纳击穿特性实现稳压
- 雪崩光电二极管：提高光电转换效率