二极管(PN结)的工作原理

0、小叙闲言

前面已经写了两篇介绍放大器应用和MOSFET作驱动的文章。但是对它们的工作原理并没有进一步研究一下，今天写下这篇文章，主要是介绍二极管的工作原理，为后面的三极管和MOSFET工作原理的理解打下基础，然后，应该能理解放大器的工作原理，最后也就也能解决上两篇文章提出的问题了。

1、PN结形成

P（Positive）型和N（Negative）型可根据它们的载流子（载流子说得比较学术，其实就是导体里面能流动的带电粒子，为电子或者是空穴，空穴可以看作是带正电的电子）来区分。对半导体材料（一般应该是硅Si）参入不同的杂质，就可以形成P型半导体和N型半导体。P型半导体里面能够流动的粒子是空穴，N型半导体里面能够流动的粒子是电子。它们的结构如下图1所示，对于它们俩如何参杂以形成不同的半导体，我们可没必要再研究下去，除非你是专门搞半导体材料的。P型半导体中的大红圆是负离子，由于材料的性质，它是不可移动的，而其中的小绿圆（空穴），是可移动的，这一点很重要，请务必记住；同理N型半导体，它里面的大绿圆（正离子）不可自由移动，而小红圆（电子）可自由移动。

图1 P型和N型半导体结构

简单了解了P型半导体和N型半导体之后，我们常说的PN结是如何形成的呢，且看下方图2动图。当P型半导体和N型半导体接合在一起的时候，由于P型半导体中空穴浓度高，而N型半导体中电子浓度高，因此会形成一个扩散运动，P型半导体中空穴会向它浓度低的地方扩散，从而扩散到N型区，N型半导体的电子也会向它浓度低的地方扩散，从而扩散到P型区。这样一来，P型区剩下不能自由移动的负离子，而N型区剩下不能自由移动的正离子，一正一负，在PN结内部形成了一个从左往右的内电场，基本上这个内电场就体现PN结的工作特性。另外有一点要说明的是，PN结只是局部带电，即P型区呈负电，而N型区呈负电，但是它们俩一中和，整体上是呈中性的。

图2 PN结形成过程

2、PN结接正向电压

当PN结接正向电压时，即P型区接电源的正极，N型区接电源的负极。这时外加电源形成的电场就会与内电场方向相反，而当外电场的强度超过内电场的时候，PN结就导通了，这时电子就可以从PN结通过。如下图3动图所示，电路中，在导线上流动的是负电子，下图中为了方便起方，用的空穴表示，不会影响分析过程。在外部电场完全抵消内部电场之后，空穴就可以畅通无阻地通过PN结了。

图3 PN结接正向电压工作过程

3、PN结接反向电压

当PN结接反向电压时，P型区的空穴会被电子抵消掉，而N型区电子会流动到电源的正极，这样一来，会有助于内电场强度增强，更不利于电子通过PN结。内电场不停地增强，会超过外部电源形成的电场强度，超过之后，电子就不能够通过PN结了。在外部看来，就是反向电阻无穷大了。

图4 PN结接反向电压

心得总结

PN结的工作原理比较简单，但是为了做几个动图，花了不少时间。以前的图都是用VISIO画的。因为好久没用PPT了，就用PPT画了文中所有的图，发现PPT作图也很方便，而且漂亮，做动画的功能也非常强大。

知识能力有限，如果图中有什么错误，还请各位同学批评指正，如果有更好的见解，也请大牛们不吝赐教。