PN結單向導電原理解析

PN結是什么？

PN結采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結（英語：PN junction）。PN結具有單向導電性，是電子技術中許多器件所利用的特性，例如半導體二極管、雙極性晶體管的物質基礎。

二極管為什么只能單向導電？

在二極管的正向端（正極）加正電壓，負向端（負極）加負電壓，二極管導通，有電流流過二極管。在二極管的正向端（正極）加負電壓，負向端（負極）加正電壓，二極管截止，沒有電流流過二極管。這就是所說的二極管的單向導通特性。下面解釋為什么二極管會單向導通。

二極管是由PN結組成的，即P型半導體和N型半導體，因此PN結的特性導致了二極管的單向導電特性。PN結如下圖所示：

在P型和N型半導體的交界面附近，由于N區(qū)的自由電子濃度大，于是帶負電荷的自由電子會由N區(qū)向電子濃度低的P區(qū)擴散，擴散的結果使PN結中靠P區(qū)一側帶負電，靠N區(qū)一側帶正電，形成由N區(qū)指向P區(qū)的電場。diangon.com即PN結內電場。內電場將阻礙多數(shù)載流子的繼續(xù)擴散，又稱為阻檔層。

PN結為什么可以單向導電？

二極管的單向導電特性用途很廣，到底是什么原因讓電子如此聽話呢？它的微觀機理是什么呢？這里簡單形象介紹一下：

假設有一塊P型半導體（用黃色代表空穴多）和一塊N型半導體（用綠色代表電子多），它們自然狀態(tài)下分別都是電中性的，即不帶電。如圖1所示。

把它們結合在一起，就形成PN結。邊界處N型半導體的電子自然就會跑去P型區(qū)填補空穴，留下失去電子而顯正電的原子。相應P型區(qū)邊界的原子由于得到電子而顯負電，于是就在邊界形成一個空間電荷區(qū)。為什么叫“空間電荷區(qū)”？是因為這些電荷是微觀空間內無法移動的原子構成的。

空間電荷區(qū)形成一個內建電場，電場方向由N到P，這個電場阻止了后面的電子繼續(xù)過來填補空穴，因為這時P型區(qū)的負空間電荷是排斥電子的。電子和空穴的結合會越來越慢，最后達到平衡，相當于載流子耗盡了，所以空間電荷區(qū)也叫耗盡層。這時PN結整體還呈電中性，因為空間電荷有正有負互相抵消。如圖2所示。

外加正向電壓，電場方向由正到負，與內建電場相反，削弱了內建電場，所以二極管容易導通。綠色箭頭表示電子流動方向，與電流定義的方向相反。如圖3所示。

外加反向電壓，電場方向與內建電場相同，增強了內建電場，所以二極管不容易導通。如圖4所示。當然，不導通也不是絕對的，一般會有很小的漏電流。隨著反向電壓如果繼續(xù)增大，可能造成二極管擊穿而急劇漏電。

圖5是二極管的電流電壓曲線供參考。

圖6形象的展示了不同方向二極管為什么能導通和不能導通，方便理解。

生活中單向導通的例子也不少，比如地鐵進站口的單向閘機，也相當于二極管的效果：正向導通，反向不導通，如果硬要反向通過，可能就會因為太大力“反向擊穿”破壞閘機了。