PN结的产生原理及单向导电性

01PN结产生原理

PN结示意图

多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动。

我们可以看到P区空穴的浓度高于N区，而N区的自由电子浓度高于P区，这样就会产生空穴由P向N扩散（空穴是不动的，只是给电子提供运动路径，相对电子而言是在做相反运动），自由电子由N向P扩散，从而导致的结果就是在接触面的地方P区会缺少空穴，而N区会缺少自由电子，这样在接触面附近就剩下不能移动的离子存在了，这个离子区为空间电荷区也就是PN结。多数载流子已经扩散到对方并复合掉了,或者说消耗尽了,因此又称空间电荷区为耗尽层。空间电荷区出现后,因为正负电荷的作用,将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场的方向,会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时,内电场则可推动少数载流子(P区的自由电子和N区的空穴)越过空间电荷区,进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。

PN结中的扩散和漂移是相互联系,又是相互矛盾的。在一定条件(例如温度一定)下,多数载流子的扩散运动逐渐减弱,而少数载流子的漂移运动则逐渐增强,最后两者达到动态平衡,空间电荷区的宽度基本稳定下来,PN结就处于相对稳定的状态。

02PN结的单向导电性

如果在PN结两端加上不同极性的电压,PN结会呈现出不同的导电性能。

（1）PN结外加正向电压

PN结P端接高电位,N端接低电位,称PN结外加正向电压,又称PN结正向偏置,简称为正偏。

PN结外加正向电压

PN结外加正向电压(也叫正向偏置)时,如左下图所示:正向偏置时外加电场与内电场方向相反,内电场被削弱,P区的空间电荷区的电子被吸引到电源正极，导致P区的空间电荷区变窄，电源负极的电子扩散到N区的空间电荷区，使得N区的空间电荷区变窄。此时，多子的扩散运动大大超过少子的漂移运动,N区的电子不断扩散到P区,形成较大的正向电流,这时称PN结处于导通状态。

（2）PN结外加负向电压

PN结P端接低电位,N端接高电位,称PN结外加反向电压,又称PN结反向偏置,简称为反偏。

PN结外加负向电压

P端引出极接电源负极,N端引出极电源正极的接法称为反向偏置;反向偏置时内、外电场方向相同,因此内电场增强,N区的空间电荷区的电子被吸引到电源正极，导致N区的空间电荷区变宽，电源负极的电子扩散到P区的空间电荷区，使得P区的空间电荷区变宽。致使多子的扩散难以进行,即PN结对反向电压呈高阻特性;反偏时少子的漂移运动虽然被加强,但由于数量极小,反向电流一般情况下可忽略不计,此时称PN结处于截止状态。

综合正向电流和反向电流，流过PN结的电流与外加电压的关系我们可以用下面这个式子来表示。

其中，IF是正向电流，IS饱和电流q是电荷1.602*10^-19，VF是正向压降，T是结温，K是玻尔兹曼常数1.381*10^-23。