pn结的形成和机理

P型和N型半导体材料的基本用法就是制作二极管，图8－12就是一个PN结型二极管，它包括由空穴组成的P型区和由自由电子组成的N型区。从一端到另外一端，二极管的结构是连续的，它是一块完整的硅晶体或锗晶体。

图8-12表明，结就是一个部分的末端和另一部分开始的边界。它并不是一个机械结点，换言之，二极管的结只是P型材料和N型材料的接合部分。

因为二极管是连续的晶体，故自由电子能够穿过结点，二极管制成时，有一部分自由电子会穿过结点到达空穴区，图8-13表明了这种作用。这将导致“耗尽区”的形成。被捕获的电子充满空穴，由于P型边积累了负电荷，生的电场阻止电子继续流动。随着电子进入和空穴的被填充，P型边界将无多数载流子空穴存在，N型材料边界将无多数载流子电子存在，结周围的区域就成为耗尽区。

耗尽区不会持续增长，在P型材料中，在耗尽区产生电动势或力,并且阻碍电子通过耗尽区填满P区所有空穴。

图8－14中表明了电势的形成过程，当N-型材料中的一个自由电子离开它的母体原子，原子就成为正离子，同样，当自由电子进入P-型材料的另外一个原子中，这个原子就成为了负离子，离子形成一个电势阻止更多的电子穿过结层。

因此，当一个二极管制成后，有一些电子穿过结进入空穴，但是由于一个反电势在P-型端的形成，阻止了其他的自由电子的通过，这样，该过程很快就结束。这个反电势就被称为“离子电势”或“势垒”，垒是一个很形象的名字，因为它阻止了过多的电子通过结。

我们已经懂得PN结的形成，接着我们要了解它的电特性，图8－15表明了电特性的概要，图中有两个自由载流子区域，由于有这些载流子，这些区域是半导体。但是在正中间的区域没有多数载流子，处于绝缘状态。

任何中间含有绝缘层的器件都不能够导电。故我们假定PN结二极管是绝缘体。然而耗尽区和绝缘层并不是相同，因为它是由电子移动并充填空穴形成的。外部的电场可以改变耗尽区。

在图8-16中，电源的接法削弱了PN结二极管的耗尽区。电源的正端迫使P型边的空穴移向结，电源的负端使得电子移向结，这样使耗尽区变薄。

随着耗尽区的势垒减弱，二极管就成了半导体，图8－16表明电子流从电源的负端流出经过二极管和限流电阻回到电源的正端。限流电阻的作用主要是防止过流，因为过大的电流会毁坏二极管。假如图8-16中的电压值是6V ，而且电阻值是1kΩ，则：

I===6mA

在上面的计算过程中，我们忽略了二极管的电阻和电压降。故我们得到的结果只是电流的近似值。若我们知道二极管的管压降，可以得到精确的电流值。电动势减去管压降，就得到了实际的电压值：

I= =5.4mA

通常情况下，硅二极管导通后的管压降为0.6V。尽管它也是一个近似的值，但是它比前面的值要精确得多了。

例8-1

图8－16中，若电压是1V，电阻值是1kΩ，计算电流值。确定修正二极管压降值的重要性。首先，计算不考虑管压降的电流为：

I= =1mA

其次，计算考虑管压降的校正电流值：

I= =0.4mA

可见，电源电压较低时，管压降就显得很重要。

例8-2

肖特基二极管的导通管压降大约是0.3V，肖特基二极管将在8-9节解释，若图8-16中是肖特基二极管，计算它的电流值，同样，电源电压是1V，电阻是1kΩ。

I= =0.7mA

肖特基二极管小的管压降在高频、低电压、大电流电路里有很重要的意义。

例8-3

若图8-16的电源电压是100V，电阻值是1kΩ，计算它的电流值。确定修正硅二极管管压降的重要性。

I= =100mA

I= =99.4mA

可见，对于电源电压较高的电路，二极管的管压降对计算电流就没有什么意义了。

图8-16的情况就称为正偏置，在电子学中，偏置是供给器件的电压或电流。正偏置是给定电压或电流使二极管能导通。在图8-16中，电池使二极管导通就是正偏置。

反偏压是另外一种偏置形式，二极管不加偏压时，耗尽区如图8-17（a）所示，当给结型二极管加反偏压时，耗尽区会变得更宽，图8-17（b）表明了这种情况。电源的正极接到N型端使自由电子离开结点，电源负极接在P型端使得空穴离开结点，这就使得耗尽区比不加电源时更厚。

由于反向偏压扩大了耗尽区，因此无电流通过二级管。耗尽区是一个绝缘体，它能阻止电流的通过，但是由于有少数载流子的存在，仍有极小的电流流动，图8-18表明了这个过程的形成。在P型区存在少量的电子，它们被电源的正极牵引到结点，而N型区有小量的空穴也被推向结点处，反偏压迫使少数载流子结合，形成漏电流。尽管二极管并不是很完美，但是现代的硅二极管的漏电流通常很小，几乎不能被测量，在室温条件下，硅中仅存在极少的载流子，因此反向漏电流通常可忽略。

锗二极管有较大的漏电流。在室温条件下，它所含有的载流子数大约是硅管的1000倍，而且硅比较便宜，有低的漏电流，在多数情况下被选用。锗管仅用于低导通电压和低电阻等少数情况下。

总之，PN结型二极管是单向导通的，反向导通很少见，电子易导通的方向是从N型区到P型区，如果给定的电压使得穿过二极管的电流在这个方向就称为正偏压，由于二极管的单向导通性，所以二极管很有用，它既可以用于开关，也可用于将交流变为直流。很多其他的二极管也在电和电子电路中有专门用途。

关于电子学：

二极管用于防止电源极性接反

二极管可用于防止电源极性接反，可用于电源极性接反保护，

方法一：通过使用与电源串联一个保护二极管。

方法二：将二级管作反接时的分流器，使电源保险丝烧断。