pn結電容N型半導體

摻入少量雜質磷元素（或銻元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導體原子（如硅原子）被雜質原子取代，磷原子外層的五個外層電子的其中四個與周圍的半導體原子形成共價鍵，多出的一個電子幾乎不受束縛，較為容易地成為自由電子。于是，N型半導體就成為了含自由電子濃度較高的半導體，其導電性主要是因為自由電子導電。

pn結電容P型半導體

摻入少量雜質硼元素（或銦元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導體原子（如硅原子）被雜質原子取代，硼原子外層的三個外層電子與周圍的半導體原子形成共價鍵的時候，會產生一個“空穴”，這個空穴可能吸引束縛電子來“填充”，使得硼原子成為帶負電的離子。這樣，這類半導體由于含有較高濃度的“空穴”（“相當于”正電荷），成為能夠導電的物質。

pn結電容電子與空穴的移動

漂移運動

上面敘述的兩種半導體在外加電場的情況下，會作定向運動。這種運動成為電子與空穴（統稱“載流子”）的“漂移運動”，并產生“漂移電流”。

根據靜電學，電子將作與外加電場相反方向的運動，并產生電流（根據傳統定義，電流的方向與電子運動方向相反，即和外加電場方向相同）；而空穴的運動方向與外加電場相同，由于其可被看作是“正電荷”，將產生與電場方向相同的電流。

兩種載流子的濃度越大，所產生的漂移電流越大。

擴散運動

由于某些外部條件而使半導體內部的載流子存在濃度梯度的時候，將產生擴散運動，即載流子由濃度高的位置向濃度低的位置運動。

pn結電容PN結的形成

采用一些特殊的工藝（見本條目后面的段落），可以將上述的P型半導體和N型半導體緊密地結合在一起。在二者的接觸面的位置形成一個PN結。

P型、N型半導體由于分別含有較高濃度的“空穴”和自由電子，存在濃度梯度，所以二者之間將產生擴散運動。即：

• 自由電子由N型半導體向P型半導體的方向擴散

• 空穴由P型半導體向N型半導體的方向擴散

載流子經過擴散的過程后，擴散的自由電子和空穴相互結合，使得原有的N型半導體的自由電子濃度減少，同時原有P型半導體的空穴濃度也減少。在兩種半導體中間位置形成一個由N型半導體指向P型半導體的電場，成為“內電場”。

1948年，威廉·肖克利的論文《半導體中的PN結和PN結型晶體管的理論》發表于貝爾實驗室內部刊物。肖克利在1950年出版的《半導體中的電子和空穴》中詳盡地討論了結型晶體管的原理，與約翰·巴丁、沃爾特·布喇頓共同發明的點接觸型晶體管所采用的不同的理論。

二極管的PN結之間是存在電容的，而電容是能夠通過交流電的。由于結電容通常很小，當加在二極管PN結之間的交流電頻率較低時，通過PN結的電流由PN結的特性決定——只允許單向電流通過。但是當加在PN結上的交流電頻率較高時，交流電就可以通過PN結的電容形成通路，PN結就部分或完全失去單向導電的特性。

勢壘電容

PN結交界處存在勢壘區。結兩端電壓變化引起積累在此區域的電荷數量的改變，從而顯現電容效應。

當所加的正向電壓升高時，PN結變窄，空間電荷區變窄，結中空間電荷量減少，相當于電容放電。同理，當正向電壓減小時，PN結變寬，空間電荷區變寬，結中空間電荷量增加，相當于電容充電。加反向電壓升高時，一方面會使耗盡區變寬，也相當于對電容的充電。加反向電壓減少時，就是P區的空穴、N區的電子向耗盡區流，使耗盡區變窄，相當于放電。

PN結電容算法與平板電容相似，只是寬度會隨電壓變化。

擴散電容

PN結勢壘電容主要研究的是多子，是由多子數量的變化引起電容的變化。而擴散電容研究的是少子。

在PN結反向偏置時，少子數量很少，電容效應很少，也就可以不考慮了。在正向偏置時，P區中的電子，N區中的空穴，會伴著遠離勢壘區，數量逐漸減少。即離結近處，少子數量多，離結遠處，少子的數量少，有一定的濃度梯度。

正向電壓增加時，N區將有更多的電子擴散到P區，也就是P區中的少子----電子濃度、濃度梯度增加。同理，正向電壓增加時，N區中的少子---空穴的濃度、濃度梯度也要增加。相反，正向電壓降低時，少子濃度就要減少。從而表現了電容的特性。

針對擴散電容來說：PN結反向偏置時電阻大，擴散電容小，主要為勢壘電容。正向偏置時，電容大，取決于擴散電容，電阻小。

頻率越高，電容效應越顯著。

在集成電路中，一般利用PN結的勢壘電容，即讓PN結反偏，只是改變電壓的大小，而不改變極性。

• 合金法

• 擴散法

• 離子注入法

• 外延生長法

pn結電容平衡狀態

PN結在沒有外加電壓情況下，跨結形成了電勢差導致了平衡狀態。該電勢差稱為內在電勢（built-in potential）{\displaystyle V_{\rm {bi}}}。

PN結的n區的電子向p區擴散，留下了正電荷在n區。類似地，p型空穴從p區向n區擴散，留下了負電荷在p區。進入了p區的電子與空穴復合，進入了n區的空穴與電子復合。經效果是擴散到對方的多數載流子（自由電子與空穴）都耗盡了，結區只剩下不可移動的帶電離子，失去了電中性變為帶電，形成了耗盡層（space charge region）。

pn結電容正向偏置

若施加在P區的電壓高于N區的電壓，稱為正向偏置（forward bias）。

在正向偏置電壓的外電場作用下，N區的電子與P區的空穴被推向PN結。這降低了耗盡區的耗盡寬度。這降低了PN結的電勢差（即內在電場）。隨著正向電壓的增加，耗盡區最終變得足夠薄以至于內電場不足以反作用抑制多數載流子跨PN結的擴散運動，因而降低了PN結的電阻。跨過PN結注入p區的電子將擴散到附近的電中性區。所以PN結附近的電中性區的少數載流子的擴散量確定了二極管的正向電流。

僅有多數載流子能夠在半導體材料中移動宏觀距離。因而，注入p區的電子不能繼續移動更遠，而是很快與空穴復合。少數載流子在注入中性區后移動的平均距離稱為擴散長度（diffusion length），典型是微米量級。

雖然跨過p-n結的電子在p-區只能穿透短距離，但正向電流不被打斷，因為空穴（p-區的多數載流子）在外電場驅動下在向相反方向移動。從p-區跨越PN結注入n-區的空穴也具有類似性質。

正向偏置下，跨PN結的電流強度取決于多數載流子的密度，這一密度隨正向偏置電壓的大小成指數增加。這使得二極管可以導通正向大電流。

pn結電容反向偏置

若施加在N區的電壓高于P區的電壓，這種狀態稱為PN結反向偏置（reverse bias）。由于p區連接電源負極，多數載流子空穴被外電場拉向負極，因而耗盡層變厚。n區也發生類似變化。并且隨反向偏置電壓的增加，耗盡層的厚度增加。從而，多數載流子擴散過PN結的勢壘增大，PN結的電阻變大，宏觀看二極管成為絕緣體。

反向偏置時形成極其微弱的漂移電流，電流由N區流向P區，并且這個電流不隨反向電壓的增大而變化，稱為“反向飽和電流”（reverse saturation current）。這是因為反向電流是由少數載流子跨PN結形成的，因此其“飽和”值取決于少數載流子的摻雜密度。由于反向飽和電流很小，PN結處于截止狀態，所以外加反向電壓時，PN結相當于斷路。

當加在PN結上的反向電壓超過一定數值時，PN結的電阻突然減小，反向電流急劇增大，這種現象稱為擊穿。電擊穿擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿且都是可逆的。發生熱擊穿后，PN結不再具有單向導電性，導致二極管發生不可恢復的損壞。利用齊納擊穿制作的穩壓二極管，稱為齊納二極管。

反向擊穿

當反向電壓逐漸增大時，反向飽和電流不變。但是當反向電壓達到一定值時，PN結將被擊穿。在PN結中加反向電壓，如果反向電壓過大，位于PN結中的載流子會擁有很大的動能，足以和中性粒子碰撞使中性粒子分離出價電子而產生空穴-電子對。這樣會導致PN結反向電流的急劇增大，發生PN結的擊穿，因為被彈出的價電子又可能和其他中性粒子碰撞產生連鎖反應，類似于雪崩，這樣的反向擊穿方式成為雪崩擊穿（Avalanche breakdown）。摻雜濃度越低所需電場越強。當摻雜濃度非常高時，在PN結兩端加入弱電場就會使中性粒子中的價電子脫離原子的束縛，從而成為載流子。導致PN結的擊穿。這樣的擊穿被稱作齊納擊穿（Zener breakdown）。摻雜濃度越高所需要的電場越弱。一般小于6V的電壓引起的是齊納擊穿，大于6V的引起的是雪崩擊穿。

pn結電容伏安特性

PN結的最大特性為單向導電性，反映到伏安特性曲線。當正向電壓達到一定值時，PN結將產生正向偏置，PN結被導通；當反向電壓在一定范圍內時，PN結產生微弱的反向飽和電流；當反向電壓超過一定值時，PN結被擊穿（。

pn結電容PN結的電容效應

在PN結（兩種半導體的交界處）會因為外加電壓產生一定電荷積累，即結電容（

勢壘電容

當外加電壓的時候，空間電荷區（也稱為“耗盡層”）的寬度發生變化，將會引起其電荷量的變化。從而產生等效的電容效應，即“勢壘電容”

擴散電容

當外加電壓變化時，擴散區（參見上文所述擴散運動）內電荷的積累和釋放過程將產生等效于電容的充放電過程，故等效于一個“擴散電容”

CDMA系統中的PN碼同步過程分為PN碼捕獲（精同步）和PN碼跟蹤（細同步）兩部分。

pn碼序列捕獲

PN碼序列捕獲指接收機在開始接收擴頻信號時，選擇和調整接收機的本地擴頻PN序列相位，使它與發送的擴頻PN序列相位基本一致，即接收機捕捉發送的擴頻PN序列相位，也稱為擴頻PN序列的初始同步。在CDMA系統接收端，一般解擴過程都在載波同步前進行，實現捕獲大多采用非相干檢測。接收到擴頻信號后，經射頻寬帶濾波放大及載波解調后，分別送往2N擴頻PN序列相關處理解擴器（N是擴頻PN序列長）。2N個輸出中哪個輸出最大，該輸出對應的相關處理解擴器所用的擴頻PN序列相位狀態，就是發送的擴頻信號的擴頻PN序列相位，從而完成擴頻PN序列捕獲。

捕獲的方法有多種，如滑動相干法、序貫估值法及匹配濾波器法等，滑動相關法是最常用的方法。

1 滑動相關法

接收系統在搜索同步時，它的碼序列發生器以與發射機碼序列發生器不同的速率工作，致使這兩個碼序列在相位上互相滑動，只有在達到一致點時，才停下來，因此稱之為滑動相關法。

接收信號與本地PN碼相乘后積分，求出它們的互相關值，然后與門限檢測器的某一門限值比較，判斷是否已捕獲到有用信號。它利用了PN碼序列的相關徨性，當兩個相同的碼序列相位一致時，其相關值輸出最大。一旦確認捕獲完成，捕獲指示信號的同步脈沖控制搜索控制鐘，調整PN碼發生器產生的PN碼重復頻率和相位，使之與收到的信號保持同步。

由于滑動相關器對兩個PN碼序列按順序比較相關，所以該方法又稱順序搜索法。滑動相關器簡單，應用簋廣，缺點是當兩個PN碼的時間差或相位差過大時，相對滑動速度簋慢，導致搜索時間過長，特別是對長PN碼的捕獲時間過長，必須采取措施限定捕獲范圍，加快捕獲時間，改善其性能。

使滑動相關器實用的有效方法之一是采用特殊碼序列，特殊碼序列要足夠短，以便在合理時間內對所有碼位進行搜索。至于短到什么程度，由滿足相關性要求限定。這種加前置碼的方法稱同步引導法。引導碼同步要求低、簡單易實現，是適合各種應用的同步方法。

可捕碼由若干較短碼序列組合而成，其碼序列應與各組成碼序列保持一定的相關關系。這類碼中最著名的是JPL碼。

2 序貫估值法

序貫估值法是另一種減少長碼捕獲時間的快速捕獲方法，它把收到的PN碼序列直接輸入本地碼發生器的移位寄存器，強制改變各級寄存器的起始狀態，使其產生的PN碼與外來碼相位一致，系統即可立即進行同步跟蹤狀態，縮短了本地PN碼與外來PN碼相位一致所需的時間。

該方法先檢測收到碼信號中的PN碼，通過開關，送入n級PN碼發生器的移位寄存器。待整個碼序列全部進入填滿后，在相關器中，將產生的PN碼與收到的碼信號進行相關運算，在比較器中將所得結果與門限進行比較。若未超過門限，則繼續上述過程。若超過門限，則停止搜索，系統轉入跟蹤狀態。理想情況下，捕獲時Ts=nTc，（Tc為PN碼片時間寬度）。該方法捕獲時間雖短，但存在一些問題，它先要對外來的PN碼進行檢測，才能送入移位寄存器，要做到這一點有時很困難。另外，此法抗干擾能力很差，因為逐一時片進行估值和判決，并未利用PN碼的抗干擾特性。但在無干擾條件下，它仍有良好的快速初始同步性能。

3 匹配濾波器法

用于PN同步捕獲的匹配濾波器一般采用延時線匹配濾波器，其目的是識別碼序列，它能在特殊結構中識別特殊序列，而且只識別該序列。假設一個輸入信號是7bit碼序列1110010雙相調制的信號，每當碼有1-0過渡時，反相信號進入延時線，直到第1bit在T7，第2bit在T6。當全部時延元件都填滿，而且信號調制碼與濾波器時延元件相位一致時，T2的信號相位與T5、T6、T7的相位相同，時延元件T1、T3、T4也具有相同的信號相位。把{T2、T5、T6、T7}與{T1、T3、T4}兩組分別相加，把{T1、T3、T4}之和倒相輸出，再將這兩個結果相加，包含在全部7個元件中的信號能量同相相加，整個輸出是未處理的7倍。根據該能量關系可以識別碼序列。要增強產生的信號，可以靠附加更多的時延元件實現，在這種結構中得到的處理增益為Gp=10lgn（n是參加求和的時延元件數）。

在要求快速鎖定及使用長碼的CDMA擴頻通信中，宜采用SAW-TDL-MF作同步器。對于待定信號，匹配濾波器具有時間自動能力，無需PN碼時鐘同步與RF載波相位鎖定，既避免了數據信息比特以外的同步，又完成了擴頻信號的相關處理。引導碼進入程控編碼SAW-TDL-MF后，其輸出是噪聲基底上的底尖相關峰。在擴頻通信中，噪聲功率控制接收機的AGC，因而信號功率（即相關峰值）在起伏的噪聲環境中變化很大。門限計算器的功能根據包絡檢測輸出，確定動態門限電平，提供給同步檢測器，保證在低SNR時有可允許的同步誤差。動態門限電平取在主峰高度與最大旁峰之間時，噪聲引起的底同步誤差最小。當SAW-TDL檢波輸出包絡超過動態門限時，同步檢測器為接收機寬帶頻率合成器提供一個邏輯電平同步信號。

pn碼序列跟蹤

當同步系統完成捕獲過程后，同步系統轉入跟蹤狀態。所謂跟蹤，是使本地碼的相位一直隨接收到的偽隨機碼相位改變，與接收到的偽隨機碼保持較精確的同步。跟蹤環路不斷校正本地序列的時鐘相位，使本地序列的相位變化與接收信號相位變化保持一致，實現對接收信號的相位鎖定，使同步誤差盡可能小，正常接收擴頻信號。跟蹤是閉環運行的，當兩端相位出現差別后，環路能根據誤差大小自動調整，減小誤差，因此同步系統多采用鎖相技術。

跟蹤環路可分為相干與非相干兩種。前者在確知發端信號載波頻率和相位的情況下工作，后者在不確知的情況下工作。實際上大多數應用屬于后者。常用的跟蹤環路有延遲鎖定環及τ抖動環兩種，延遲鎖定環采用兩個獨立的相關器，τ抖動環采用分時的單個相關器。

1 延遲鎖相環

當本地PN碼產生器第（n－2）和第n級移位寄存器輸出PN碼相位超前于接收到的偽隨機碼相位時（即兩碼的相對時差0<τ

2 τ抖動跟蹤環

抖動環是跟蹤環的另一種形式，與延時鎖定環相同，接收信號與本地產生PN序列的超前滯后形式相關，誤差信號由單個相關器以交替的形式相關后得到。PN碼序列產生器由一個信號驅動，時鐘信號的相位二元信號的變化來回“擺動”，去除了必須保證兩個通道傳遞函數相同的要求，因此抖動環路實現簡單。與延時鎖定環相比，信噪比性能惡化大約3dB。 　延遲鎖定環及τ抖動環不僅能起跟蹤作用，如果采用滑動相關概念，使本地VCO開始時就與接收信號有一定頻差，也能起到捕獲作用。此外，另加一相關器，還可以起到解碼作用。

上述兩種跟蹤環路的主要跟蹤對象是單徑信號，但在移動信道中，由于受到多徑衰落及多普勒頻移等多種復雜因素影響，不能得到令人滿意的跟蹤性能，所以CDMA擴頻通信系統應采用適合多徑衰落信道的跟蹤環。基于能量窗重心的定時跟蹤環就是其中之一。

CDMA數字蜂窩移動系統采用擴頻技術，其擴頻帶寬使系統具有較強的多徑分辨能力。接收機不斷搜索可分辨多徑信號分量，選出其中能量最強的J個多徑分量作為能量窗，利用基于能量窗重心的定時跟蹤算法，觀察相鄰兩次工作窗內多徑能量分布變化，計算跟蹤誤差函數，根據能量重心變化，調整本地PN碼時鐘，控制PN碼滑動，達到跟蹤目的。采用該跟蹤環的目的是使用于RAKE接收的工作窗內多徑能量之和最大，接收機性能更好。仿真結果表明，與DLL跟蹤單徑相比，采用基于能量窗重心的定時跟蹤法跟蹤有效多徑成分具有更好的性能。

pn序列是一種偽噪聲序列，這類序列具有類似隨機噪聲的一些統計特性，但和真正的隨機信號不同，它可以重復產生和處理，故稱作偽隨機噪聲序列。

PN序列（Pseudo-noise Sequence）

PN序列有多種，其中最基本常用的一種是最長線形反饋移位寄存器序列，也稱作m序列，通常由反饋移位寄存器產生。

PN序列一般用于擴展信號頻譜。

m序列的隨機特性：1,、平衡特性 2,、游程特性 3、相關特性