PN结单向导电原理解析及PN结为什么可以单向导电

PN结是什么？

PN结采(cai)用不同(tong)的(de)掺杂(za)工艺(yi)，通(tong)(tong)过扩(kuo)散作(zuo)用，将P型半(ban)导(dao)体与N型半(ban)导(dao)体制(zhi)作(zuo)在(zai)同(tong)一块半(ban)导(dao)体（通(tong)(tong)常是(shi)硅或锗）基片上，在(zai)它们的(de)交界面(mian)就形(xing)成空间电(dian)荷(he)区称为(wei)PN结（英语：PN junction）。PN结具有(you)单向导(dao)电(dian)性(xing)，是(shi)电(dian)子技术中许(xu)多器件(jian)所(suo)利用的(de)特性(xing)，例如半(ban)导(dao)体二极(ji)管、双极(ji)性(xing)晶体管的(de)物质基础。

二极管为什么只能单向导电？

在(zai)二极(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)正(zheng)向(xiang)端（正(zheng)极(ji)(ji)(ji)）加正(zheng)电压(ya)(ya)，负向(xiang)端（负极(ji)(ji)(ji)）加负电压(ya)(ya)，二极(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)导(dao)通(tong)，有电流(liu)流(liu)过(guo)二极(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)。在(zai)二极(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)正(zheng)向(xiang)端（正(zheng)极(ji)(ji)(ji)）加负电压(ya)(ya)，负向(xiang)端（负极(ji)(ji)(ji)）加正(zheng)电压(ya)(ya)，二极(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)截(jie)止，没有电流(liu)流(liu)过(guo)二极(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)。这就是所说的(de)(de)二极(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)单(dan)向(xiang)导(dao)通(tong)特性。下面(mian)解释为(wei)什么二极(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)会单(dan)向(xiang)导(dao)通(tong)。

二极管是由PN结组成的，即P型半导(dao)体和N型半导(dao)体，因此PN结的特性导(dao)致了二极管的单向导(dao)电特性。PN结如(ru)下图所示：

在P型和N型半导(dao)体的(de)交界(jie)面附近，由于(yu)(yu)N区(qu)(qu)(qu)的(de)自由电(dian)(dian)(dian)子浓度(du)大，于(yu)(yu)是带负电(dian)(dian)(dian)荷的(de)自由电(dian)(dian)(dian)子会由N区(qu)(qu)(qu)向电(dian)(dian)(dian)子浓度(du)低的(de)P区(qu)(qu)(qu)扩(kuo)散，扩(kuo)散的(de)结(jie)果使PN结(jie)中靠P区(qu)(qu)(qu)一(yi)侧(ce)带负电(dian)(dian)(dian)，靠N区(qu)(qu)(qu)一(yi)侧(ce)带正电(dian)(dian)(dian)，形成由N区(qu)(qu)(qu)指向P区(qu)(qu)(qu)的(de)电(dian)(dian)(dian)场(chang)。diangon.com即PN结(jie)内电(dian)(dian)(dian)场(chang)。内电(dian)(dian)(dian)场(chang)将阻碍多(duo)数载(zai)流子的(de)继续扩(kuo)散，又称为(wei)阻档层。

PN结为什么可以单向导电？

二(er)极管(guan)的单(dan)向导(dao)电特性用途很广，到底是什么(me)原因(yin)让电子(zi)如(ru)此听(ting)话(hua)呢？它的微观机理是什么(me)呢？这里(li)简单(dan)形(xing)象介绍一下：

假(jia)设有一块P型半导体(ti)（用(yong)(yong)黄(huang)色代表空穴(xue)多(duo)）和(he)一块N型半导体(ti)（用(yong)(yong)绿色代表电子多(duo)），它们自然状态下分别都是(shi)电中性(xing)的，即不带(dai)电。如(ru)图1所示。

把它们结合在一起，就(jiu)(jiu)形成PN结。边(bian)界处N型半导体的(de)电(dian)(dian)子自然(ran)就(jiu)(jiu)会跑去P型区填补空(kong)穴，留(liu)下失去电(dian)(dian)子而(er)显正电(dian)(dian)的(de)原子。相应P型区边(bian)界的(de)原子由于得到电(dian)(dian)子而(er)显负(fu)电(dian)(dian)，于是(shi)就(jiu)(jiu)在边(bian)界形成一个空(kong)间电(dian)(dian)荷区。为什(shen)么(me)叫“空(kong)间电(dian)(dian)荷区”？是(shi)因为这些电(dian)(dian)荷是(shi)微(wei)观(guan)空(kong)间内无法移动的(de)原子构成的(de)。

空间(jian)(jian)电(dian)(dian)(dian)荷区(qu)形成一个内建电(dian)(dian)(dian)场，电(dian)(dian)(dian)场方向由N到P，这个电(dian)(dian)(dian)场阻止(zhi)了后面的电(dian)(dian)(dian)子继续过来(lai)填补空穴，因(yin)为这时(shi)P型区(qu)的负(fu)空间(jian)(jian)电(dian)(dian)(dian)荷是排斥电(dian)(dian)(dian)子的。电(dian)(dian)(dian)子和空穴的结(jie)合(he)会越来(lai)越慢，最后达到平(ping)衡，相当(dang)于载流子耗(hao)尽了，所以空间(jian)(jian)电(dian)(dian)(dian)荷区(qu)也叫耗(hao)尽层。这时(shi)PN结(jie)整体还呈(cheng)电(dian)(dian)(dian)中性，因(yin)为空间(jian)(jian)电(dian)(dian)(dian)荷有正有负(fu)互相抵(di)消。如图2所示。

外加正(zheng)向电(dian)压(ya)，电(dian)场方向由正(zheng)到负(fu)，与内(nei)建电(dian)场相(xiang)反，削弱了(le)内(nei)建电(dian)场，所(suo)以二极管容易导通。绿色箭头表示(shi)电(dian)子流动(dong)方向，与电(dian)流定(ding)义(yi)的方向相(xiang)反。如图3所(suo)示(shi)。

外(wai)加反(fan)向(xiang)电(dian)(dian)压(ya)(ya)，电(dian)(dian)场(chang)(chang)方(fang)向(xiang)与(yu)内(nei)建电(dian)(dian)场(chang)(chang)相同(tong)，增(zeng)强了内(nei)建电(dian)(dian)场(chang)(chang)，所以二(er)极管不(bu)容(rong)易导(dao)通。如图4所示。当(dang)然，不(bu)导(dao)通也不(bu)是(shi)绝对的，一(yi)般会有很小的漏电(dian)(dian)流(liu)。随着(zhe)反(fan)向(xiang)电(dian)(dian)压(ya)(ya)如果继(ji)续增(zeng)大(da)，可(ke)能造成二(er)极管击穿而急剧(ju)漏电(dian)(dian)。

图5是(shi)二极管的电流电压(ya)曲线(xian)供参考。

图6形(xing)象的展示了不同方(fang)向二极管(guan)为什么(me)能导通和不能导通，方(fang)便理解。

生活中单向(xiang)(xiang)导(dao)通(tong)的(de)例子也不少，比如地铁(tie)进站口的(de)单向(xiang)(xiang)闸机，也相当于二极管的(de)效(xiao)果：正向(xiang)(xiang)导(dao)通(tong)，反(fan)向(xiang)(xiang)不导(dao)通(tong)，如果硬(ying)要反(fan)向(xiang)(xiang)通(tong)过，可能就会(hui)因为(wei)太大力“反(fan)向(xiang)(xiang)击(ji)穿”破坏闸机了。

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