02 PN结的形成

二极管单向导电性失败的场合及原因∶
1、正向偏压太低。（不足以克服死区电压）
2、正向电流太大。（会使PN结温度过高烧毁）
3、反向偏压太高。（造成反向击穿）
4、工作频率太高。（使结电容容抗下降而反向不截止）

PN结具有单向导电的特性，这也是由其构成的半导体器件的主要工作机理。

如果在PN结上加正向电压，外电场与内电场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷，于是空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（由P区流向N区的正向电流）。在一定范围内，外电场愈强，正向电流愈大，这时PN结呈现的电阻很低，即PN结处于导通状态。

如果在PN结上加反向电压，外电场与内电场的方向一致，扩散与漂移运动的平衡同样被破坏。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，于是空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动难于进行，同时加强了少数载流子的漂移运动，形成由N区流向P区的反向电流。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，PN结的反向电阻很高，即PN结处于截止状态。

由以上分析可知，PN结具有单向导电性，这是PN结构成半导体器件的基础。

处于平衡状态下的PN结没有实用的价值，PN结的实用价值只有在PN结上外加电压时才能显示出来。
    1．外加正向偏置电压
    电路如图所示，P型半导体接高电位，N型半导体接低电位，这种连接方式下的PN结称为正向偏置（简称正偏）。当PN结处在正向偏置时，外电场和内电场的方向相反。在外电场的作用下，P区的空穴和N区的电子都要向空间电荷区移动，进入空间电荷医的电子和空穴分别和原有的一部分正、负离子中和，打破了空间电荷区的平衡状态，使空间电荷区的电荷量减少，空间电荷区变窄，内电场相应的被削弱。此时有利于P区多子空穴和N区的多子电子向相邻的区域扩散，并形成扩散电流，即PN结的正向电流。在一定范围内，正向电流随着外电场的增强而增大，此时的PN结呈现出低电阻值，PN结处于导通状态。PN结正向导通时的压降很小，理想情况下，可认为PN结正向导通时的电阻为0W，所以导通时的压降也为OV。PN结的正向电流包含空穴电流和电子电流两部分，外电源不断向半导体提供电荷，使电路中的电流得以维持。图1所示正向电流的大小主要由外加电压U和电阻R的大小来决定。

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2．外加反向偏置电压
    在PN结上外加反向电压时的电路如图所示，处在这种连接方式下的PN结称为反向偏置（简称反偏）。当PN结处在反向偏置时，P型半导体接低电位，N型半导体接高电位。此时，外电场和内电场的方向相同，PN结内部扩散和漂移运动的平衡被打破。P区的空穴和N区的电子由于外电场的作用都将背离空间电荷区，结果使空间电荷量增加，空间电荷区加宽，内电场加强，内电场的加强进一步阻碍了多数载流子扩散运动的进行，但这对少数载流子的漂移运动却有利，少数载流子的漂移运动所形成的电流称为PN结的反向电流。少数载流子的数目有限，在一定范围内，反向电流极微小，称为反向饱和电流，用符号Is来表示。反向偏置时的PN结呈高电阻态，理想情况下，反向电阻为∞，此时PN绪的反向电流为0，PN结不导电，即PN结处于截止的状态。由于少数载流子与半导体的本征激发有关，本征激发与温度有关，所以PN结的反向饱和电流会随着温度的上升而增大。

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可见，PN结的导电能力与加在PN结上电压的极性有关。当外加电压使PN结处在正向偏置时，PN结会导电；当外加电压使PN结处在反向偏置时，PN结不导电。PN结的这种导电特性称为PN结的单向导电性。

    3．PN结的伏一安特性曲线
    PN结电流和电压的约束关系不像电阻元件那样是线性的关系，而是非线性的关系，具有这种特性的元件称为非线性元件。非线性元件电流和电压的约束关系不能用欧姆定律来描述，必须用伏一安特性曲线来描述。
    实验测得PN结的伏一安特性曲线如图所示。其中u>0的部分称为正向特性，u<0的部分称为反向特性。当反向电压超过UBR后，PN结的反向电流急剧增加，这种现象称为PN结反向击穿。

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PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐钠击穿两种。当掺杂浓度比较高时，击穿通常为齐纳击穿；当掺杂浓度比较低时，击穿通常为雪崩击穿。无论哪种击穿，若对电流不加以限制，都可能造成PN结的永久性损坏。

在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的 。N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区 。P 型半导体一边的空间电荷是负离子 ，N 型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散 ，达到平衡。
在PN结上外加一电压 ，如果P型一边接正极 ，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导性。

PN结的单向导电性：PN结加正向电压时，形成较大的正向电流；而在加反向电压时，反向电流很小，这种特性称为单向导电性。