PN结二极管工作原理和IV特性曲线分析

PN结二极管出现于1950年，它是电子器件中最基本和最基本的组成部分。PN结二极管是一种两端器件，PN结二极管的一侧采用P型并掺杂N型材料而形成。PN结是半导体二极管的基础。

各种电子元件，如BJT、JFET、MOSFET（金属氧化物半导体 FET）、LED和模拟或数字IC全部支持半导体技术。半导体二极管的主要功能是，它促进电子完全沿一个方向流过它。最后，PN结二极管还可以充当整流器。

典型PN结二极管有三种可能的偏置条件和两个工作区域，它们是零偏置、正向偏置和反向偏置。

零偏置：当PN结二极管上没有施加电压时，电子将扩散到P侧，空穴将通过结扩散到N侧，然后它们结合。因此，靠近P型的受主原子和靠近N侧的供体原子未被利用。这些电荷载流子产生电场。这阻碍了电荷载流子的进一步扩散。因此，没有移动的区域被称为耗尽区或空间电荷。

正向偏置：如果我们对PN结二极管施加正向偏置，这意味着负端子连接到N型材料，而正端子连接到二极管两端的P型材料，这具有减小PN结二极管宽度的效果。

反向偏置：如果我们对PN结二极管施加反向偏压，这意味着正极端子连接到N型材料，负极端子连接到二极管两端的P型材料，这具有增加PN结二极管宽度的效果，并且没有电荷可以流过结。

在零偏置结中，可为P侧和N侧端子上的空穴提供更高的势能。当结型二极管的端子短路时，P侧的多数电荷载流子具有足够的能量来克服势垒，穿过耗尽区。因此，在多数电荷载流子的帮助下，电流开始在二极管中流动，称为正向电流。同样，N侧的少数载流子以相反的方向穿过耗尽区，称为反向电流。

势垒阻止电子和空穴穿过结的移动，并允许少数载流子漂移穿过PN结。然而，势垒帮助P型和N型中的少数载流子漂移穿过PN结，然后当多数载流子相等且都以相反方向移动时，就会建立平衡，从而最终结果为零电路中流动的电流。据说该连接处处于动态平衡状态。

当半导体温度升高时，少数载流子不断产生，因此漏电流开始上升。但是，由于没有外部电源连接到PN结，因此电流无法流动。

当PN结二极管通过向P型材料提供正电压并向N型端子提供负电压而以正向偏置连接时。如果外部电压超过势垒值（Si估计为0.7V，Ge估计为0.3V），势垒的阻力将被克服，电流将开始流动。因为负电压会排斥附近的电子。通过给它们能量来结合和交叉，使空穴被正电压推向与结相反的方向。

零电流流向内置电位的特性曲线的结果在静态曲线上被称为“拐点电流”，然后随着外部电压的轻微增加，高电流流过二极管，如下所示：

PN结二极管正向偏置VI特性

PN结二极管在正向偏压下的VI特性是非线性的，即不是直线。这种非线性特性说明，在N结工作过程中，电阻并不是恒定的。正向偏压下PN结二极管的斜率表明电阻非常低。当向二极管施加正向偏置时，它会产生低阻抗路径并允许传导大量电流，即所谓的无限电流。该电流开始在具有少量外部电势的拐点上方流动。

PN结两端的电位差通过耗尽层作用保持恒定。由于负载电阻使最大导通电流不完整，因为当PN结二极管导通的电流超过二极管正常规格时，多余的电流会导致散热，同时也会导致器件损坏。

当PN结二极管在反向偏置条件下连接时，正 (+Ve) 电压连接到N型材料，负 (-Ve) 电压连接到P型材料。当+Ve电压施加到N型材料上时，它会吸引正极附近的电子并远离结，而P型端的空穴也被吸引远离负极附近的结。

在这种类型的偏置中，流过PN结二极管的电流为零。不过，由于少数电荷载流子在二极管中流动而产生的漏电流可以以UA（微安）为单位进行测量。由于PN结二极管反向偏压的电位最终升高，导致PN结反向电压击穿，PN结二极管的电流由外部电路控制。反向击穿取决于P区和N区的掺杂水平。此外，随着反向偏压的增加，二极管将因电路过热而短路，PN结二极管中流过最大电路电流。

PN结二极管反向偏置时VI特性

在这种类型的偏置下，二极管的特性曲线如下图第四象限所示。在达到击穿之前，该偏置中的电流很低，因此二极管看起来像开路。当反向偏置的输入电压达到击穿电压时，反向电流急剧增加。

对于理想特性，PN结二极管中的总电流在整个结二极管中是恒定的，各个电子和空穴电流是连续函数并且在整个结二极管中是恒定的。

PN结二极管的实际特性随着施加到结上的外部电势的变化而变化，这改变了结二极管的特性。结型二极管在正向偏置时表现为短路，在反向偏置时表现为开路。

二极管可以被视为简单的双极半导体器件，二极管的特性看起来是二极管在施加电压时产生的电流的图表。完美的二极管绝对可以通过其电流和电压曲线来区分。

二极管允许电流仅向前流动，并有效地阻止反向电流。重要的是要认识到半导体完全是单晶材料，由两个不同类型的半导体块制成。其中一个区块掺杂有三价杂质原子，形成P区，充当受主，空穴作为多数载流子，相邻区块掺杂有五价杂质原子，形成N区，充当施主，电子作为多数载流子。

N区和P区的边界被称为形而上学结。每个块中的掺杂浓度都是相同的，并且结处的掺杂会发生突然的变化。当两个块彼此靠近时，电子和空穴从浓度较高的区域向浓度较低的区域扩散。在扩散过程中，电子从N区向P区扩散，而空穴从P区向N区扩散。一旦空穴进入N区，它们就会与施主原子重新结合。同时，供体原子接纳额外的空穴并变成带正电的固定供体原子。

从N区扩散到P区的电子与P区的受主原子复合。同时，受体原子接纳额外的电子并成为带负电的固定受体原子。其结果是，在N侧的接合处产生大量的带正电的离子，在P侧的接合处产生大量的带负电的离子。

N和P区域内的净带正电和负电的离子在靠近形而上连接的空间中感应出电场。在电场较小且自由载流子密度等于净掺杂密度的地方将这两个区域合并可以称为空间电荷区域。它也可以被称为准中立区域。从根本上讲，所有电子和空穴都被电场扫出自由空间电荷区域。发生自由移动电荷载流子耗尽的锥形区域称为耗尽区域。

耗尽区包含N侧预设的正离子和P侧预设的负离子，耗尽层的宽度与每个区域中存在的掺杂剂的浓度成反比。耗尽区内的电场产生相反的力，该相反的力阻止电子和空穴由于耗尽区内的带电离子的冲击而扩散。这种相反的力通常可以称为势垒电压。硅的势垒典型值为0.72V，锗的势垒典型值为0.3V。

当电场和势垒电势相互平衡时，就达到平衡状态，导致耗尽层两侧产生电势差Vo。净接触电势差取决于材料的类型，N型的净接触电势差比P型的高。在热平衡状态下，势垒电位为N侧电子提供的势能比P侧低。由于相对于费米能级的导带和价带位置在P区和N区之间发生变化，因此能带在自由空间电荷区中弯曲。

在这种平衡状态下不会发生电流传导，并且由于电子和空穴的扩散和漂移电流而产生的电流相互抵消。内置势垒电势维持N区中的多数载流子与P区中的少数载流子之间以及P区中的多数载流子与N区中的少数载流子之间的平衡。另外，内置势垒也可以估计为P区和N区的本征费米能级之间的差异。

总之PN结二极管是一种二极管，可以用作整流器、逻辑门、稳压器、开关器件、电压相关电容器，在光电子中可以用作光电二极管、发光二极管（LED）、激光二极管、光电探测器或太阳能电池。

众所周知，PN结是一个重要的组成部分，也是电子半导体技术提供的不可或缺的结构之。一些关于半导体比较重要的基本概念整理如下：