P-N 连接处

如果在下图（a）中将一块 P 型半导体与一块 N 型半导体接触，则结果没有价值。我们有两个相互接触的导电块，没有表现出独特的特性。问题是两个独立且不同的晶体体。电子数量由两个块中的质子数量平衡。因此，两个区块都没有任何净电荷。

然而，在下图 (b) 中，由一端为 P 型材料而另一端为 N 型材料制成的单个半导体晶体具有一些独特的性质。 P 型材料具有正多数电荷载流子、空穴，它们可以在晶格周围自由移动。 N 型材料具有可移动的负多数载流子，即电子。在结附近，N 型材料电子通过结扩散，与 P 型材料中的空穴结合。由于电子被吸引，靠近结的 P 型材料区域带有净负电荷。由于电子离开 N 型区域，它带有局部正电荷。这些电荷之间的晶格薄层已耗尽多数载流子，因此被称为耗尽区 .它成为不导电的本征半导体材料。实际上，我们几乎有一个绝缘体将导电的 P 和 N 掺杂区分开。

(a) 接触的 P 和 N 半导体块没有可利用的特性。 (b) 掺杂 P 型和 N 型杂质的单晶形成势垒。

PN 结处的这种电荷分离构成了一个势垒。必须通过外部电压源克服该势垒才能使结导电。结和势垒的形成发生在制造过程中。势垒的大小是制造中使用的材料的函数。硅PN结比锗结具有更高的势垒。

PN 结偏差

在下图（a）中，电池的排列使得负极端子向 N 型材料提供电子。这些电子向结扩散。正极端子从 P 型半导体中去除电子，产生向结扩散的空穴。如果电池电压足够大以克服结电势（Si 为 0.6V），N 型电子和 P 空穴结合起来相互湮灭。这释放了晶格内的空间，让更多的载流子流向结点。因此，N 型和 P 型多数载流子的电流流向结。结处的复合允许电池电流流过 PN 结二极管。据说这样的结是前向偏置 .

(a) 正向电池偏置将载流子排斥到结点，在那里复合会导致电池电流。 (b) 反向电池偏置将载流子吸引到远离结点的电池端子。耗尽区厚度增加。没有持续的电池电流流动。

如果电池极性如上图 (b) 所示反转，则多数载流子会从结点朝向电池端子被吸引。正极电池端子吸引 N 型多数载流子，电子，远离结。负极端子吸引 P 型多数载流子、空穴远离结。这增加了非导电耗尽区的厚度。没有多数载流子的重组；因此，没有传导。这种电池极性的排列称为反向偏置 .

二极管

二极管原理图符号如下图（b）所示，对应于（a）处的掺杂半导体条。二极管是单向 设备。电流仅沿一个方向流动，沿着箭头，对应于正向偏置。二极管符号的阴极 bar 对应于 N 型半导体。阳极，箭头，对应于 P 型半导体。要记住这种关系，N 符号上的指向（条）对应于 N 型半导体。 P ointing（箭头）对应于 P -类型。

(a) 正向偏置 PN 结，(b) 对应二极管原理图符号 (c) 硅二极管 I vs V 特性曲线。

如果二极管如上图 (a) 所示正向偏置，则随着电压从 0 V 增加，电流将略微增加。对于硅二极管，当电压接近上图 (c) 中的 0.6 V 时，可测量电流流过）。随着电压增加超过 0.6 V，拐点后的电流会显着增加。将电压提高到远远超过 0.7 V 可能会产生足够大的电流来损坏二极管。正向电压 VF 是半导体的一个特性：硅为 0.6 至 0.7 V，锗为 0.2 V，发光二极管 (LED) 为几伏。正向电流范围从点接触二极管的几毫安到小信号二极管的100毫安到功率二极管的数十或数千安培。

如果二极管反向偏置，则只有本征半导体的漏电流流动。这绘制在上图（c）中原点的左侧。对于硅小信号二极管的最极端条件，该电流仅高达 1 µA。在二极管击穿之前，该电流不会随着反向偏置的增加而明显增加。在击穿时，电流增加如此之大，以至于二极管将被损坏，除非高串联电阻限制电流。我们通常选择反向电压额定值高于任何施加电压的二极管来防止这种情况。硅二极管通常具有 50、100、200、400、800 V 和更高的反向击穿额定值。可以制造几伏的较低额定值的二极管，用作电压标准。

我们之前提到过，硅二极管低于 1 µA 的反向漏电流是由于本征半导体的传导造成的。这是可以用理论解释的泄漏。热能产生很少的电子-空穴对，它们传导漏电流直到复合。在实际操作中，这个可预测的电流只是漏电流的一部分。大部分漏电流是由于表面传导，与半导体表面缺乏清洁度有关。两种漏电流都随着温度的升高而增加，对于小型硅二极管来说接近 1 µA。

对于锗，泄漏电流要高几个数量级。由于锗半导体现在很少使用，这在实践中不成问题。

评论：

• PN 结由单晶半导体制成，在结附近具有 P 型和 N 型区域。
• 电子从结的 N 侧转移到在结的 P 侧湮灭的空穴产生势垒电压。这在硅中为 0.6 到 0.7 V，并随其他半导体而变化。
• 一旦克服势垒电压，正向偏置的 PN 结就会传导电流。外部施加的电位迫使多数载流子朝向发生复合的结，从而允许电流流动。
• 反向偏置的 PN 结几乎不传导电流。施加的反向偏压会吸引多数载流子远离结。这增加了非导电耗尽区的厚度。
• 反向偏置 PN 结显示出与温度相关的反向漏电流。这在小型硅二极管中不到 1 µA。

相关工作表：

• PN 结工作表
• 半导体中的导电工作表