PN結單向導電原理解析

PN結是什么？

PN結采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN結（英语：PN junction）。PN結具有单向导电性，是电子技术中许多器件所利用的特性，例如半导体二极管、双极性晶体管的物质基础。

二極管爲什麽只能單向導電？

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。下面解釋爲什麽二極管會單向導通。

二极管是由PN結组成的，即P型半导体和N型半导体，因此PN結的特性导致了二极管的单向导电特性。PN結如下图所示：

在P型和N型半导体的交界面附近，由于N区的自由电子浓度大，于是带负电荷的自由电子会由N区向电子浓度低的P区扩散，扩散的结果使PN結中靠P区一侧带负电，靠N区一侧带正电，形成由N区指向P区的电场。diangon.com即PN結内电场。内电场将阻碍多数载流子的继续扩散，又称为阻档层。

PN結为什么可以单向导电？

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

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），它們自然狀態下分別都是電中性的，即不帶電。如圖1所示。

把它们结合在一起，就形成PN結。边界处N型半导体的电子自然就会跑去P型区填补空穴，留下失去电子而显正电的原子。相应P型区边界的原子由于得到电子而显负电，于是就在边界形成一个空间电荷区。为什么叫“空间电荷区”？是因为这些电荷是微观空间内无法移动的原子构成的。

空间电荷区形成一个内建电场，电场方向由N到P，这个电场阻止了后面的电子继续过来填补空穴，因为这时P型区的负空间电荷是排斥电子的。电子和空穴的结合会越来越慢，最后达到平衡，相当于载流子耗尽了，所以空间电荷区也叫耗尽层。这时PN結整体还呈电中性，因为空间电荷有正有负互相抵消。如图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爲什麽能導通和不能導通，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，可能就會因爲太大力“反向擊穿”破壞閘機了。