PN结及其单向导电性原理解析

1.PN结的形成

将一块半导体的两侧分别制成P型半导体和N型半导体，由于P型半导体中和N型半导体中的载流子存在浓度的差别，会发生扩散现象。P型区中的多子（空穴）将越过交界面向N型区扩散，留下不能移动的负离子；而N型区中的多子（自由电子）会向P型区扩散，留下不能移动的正离子。多数载流子的这种因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图1.6所示。

原本P型区和N型区均呈现电中性，由于自由电子和空穴的扩散运动，使得P型区和N型区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧分别形成不能移动的、带异性电荷的离子层，称为空间电荷区，这就是通常所说的PN结。

在PN结中，多数载流子扩散到对面发生复合而耗尽。因此空间电荷区又称为耗尽层，如图1.7所示。

图1.6　交界处载流子扩散示意

图1.7　PN结的形成

空间电荷区的N侧带正电，P侧带负电，会产生一个从N型区指向P型区的内电场。显然，内电场的方向会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。与此同时，内电场可推动少数载流子（P型区的自由电子和N型区的空穴）越过空间电荷区，形成漂移运动。

漂移运动与扩散运动的方向相反，在无外加电场时会形成动态平衡，此时扩散电流等于漂移电流，PN结的宽度保持不变，处于稳定状态。

请思考：稳定状态下的PN结呈现电中性吗？

2.PN结的单向导电性

在PN结两端加上不同极性的电压，它会呈现出不同的导电性能，这是PN结最重要的特性之一。(www.xing528.com)

（1）PN结外加正向电压

PN结外加正向电压（P端接高电位，N端接低电位），称为PN结正向偏置，简称正偏，如图1.8所示。外加电压在PN结上形成的外电场方向与内电场方向相反，驱使P型区的空穴和N型区的自由电子分别由两侧进入空间电荷区，打破了PN结原来的平衡状态，从而使空间电荷区变窄，内电场被削弱，有利于扩散运动不断进行。这样，多数载流子的扩散运动大为增强，从而形成较大的扩散电流。外部电源不断向半导体提供电荷，使电流得以维持，这时PN结所处的状态称为正向导通。

请思考：如果外电场小于内电场，PN结能正向导通吗？

（2）PN结外加反向电压

PN结外加反向电压（P端接低电位，N端接高电位），称为PN结反向偏置，简称反偏，如图1.9所示。此时内外电场方向相同，抑制扩散运动，使空间电荷区变得更宽。同时少数载流子的漂移运动却被加强，形成了反向的漂移电流。由于少数载流子的数目很少，故形成的反向电流也很小。PN结这时所处的状态称为反向截止。少数载流子由本征激发产生，温度越高，其数量越多，所以温度对反向电流的影响很大。

请思考：反向电压能否无限加大？

图1.8　PN结外加正向电压

图1.9　PN结外加反向电压

3.结论

（1）PN结外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态，称为PN结的单向导电性。

（2）PN结正偏时通过的正向导通电流较大，反偏时通过的反向截止电流很小。