理解 PN 结：从结构到二极管特性
PN 结是现代半导体器件基石，将单晶变为自维持电压势垒，主导二极管行为。通过在晶体一侧掺杂受主原子 (P 型)、另一侧掺杂施主原子 (N 型)，其界面形成一层固定电荷区。这个耗尽区虽如绝缘体，却是 PN 结作为电流单向阀工作的关键特征。
PN 结结构
将 P 型块与 N 型块相邻放置，两材料仅接触不共享独特电性质——各自仍为导体且无净电荷。差异出现于单晶一端掺 P 型、另一端掺 N 型时。多数载流子为 P 侧空穴、N 侧电子，可在晶格中自由移动。
耗尽区形成
靠近结处，电子从 N 侧扩散入 P 侧与空穴复合。N 侧失去电子带正电；P 侧获得电子略带负电。这在结处形成薄层固定电荷——称耗尽区——无多数载流子，表现如绝缘体。
(a) 分离的 P、N 半导体块无可利用特性。(b) 单晶掺 P、N 材料形成势垒。
势垒与偏置
结处电荷分离产生内建势垒。势垒大小取决于半导体材料：硅 ~0.6–0.7 V，锗更低。外部电压必须超过此势垒才允许电流流过。
正向偏置
电池负极向 N 侧供电子、正极从 P 侧抽电子，推动多数载流子向结移动。施加电压超势垒 (硅约 0.6 V) 后，电子空穴复合，耗尽区收缩，电流流通。
(a) 正向偏置驱动载流子入结，复合导通。(b) 反向偏置拉离载流子，耗尽区展宽阻断电流。
反向偏置
反接电池极性将多数载流子拉离结，增加耗尽区宽度。除微小漏电流外无显著电流，器件靠选取高于工作电压的反向击穿电压来防破坏性击穿。
二极管特性
二极管符号反映此行为：箭头 (阳极) 指向 P 侧，竖杠 (阴极) 指向 N 侧。正向电流在克服势垒后陡增。硅二极管正向电压 (VF) 0.6–0.7 V；锗 ~0.2 V；LED 可达数伏。
正向电流范围极宽——小信号二极管毫安级，功率二极管达千安。反向漏电流通常 <1 µA（硅小信号器件），随温升高。击穿发生于高反压 (硅 50–800 V)，需串联电阻保护器件。
漏电部分为本征——热生成电子-空穴对；部分为表面污染导致表面导电。锗二极管漏电大得多，现已少用。
关键要点
- PN 结通过在单晶半导体掺 P 型与 N 型区域形成。
- 电子跨结扩散产生电压势垒，硅中约 0.6–0.7 V。
- 正向偏置克服势垒，使载流子在结处复合导通电流。
- 反向偏置展宽耗尽区，将电流限制在随温度升高的微小漏电流。
- 小硅二极管漏电流 <1 µA 且随温度变化。
延伸阅读
工业技术