半导体基础知识-PN结二极管和二极管特性

从第一篇文章开始：半导体基础知识（1）：材料和器件，觉得挺好，于是决定翻译第二篇，有缘看到就进行下去。 上篇最后预留了这样一句话：

如果目标是制造有用的电子组件，那么掺杂材料本身并没有比原始半导体更好。 但是，当我们将n型半导体与p型半导体相邻放置时，一切都会改变。 此结构称为pn结，是下一个教程的主题。

这恰好呼应地也是这篇文章，单纯的掺杂可没什么好说的，要对目标有用，才是掺杂的目的。我们要用掺杂的半导体材料做成有用的电子器件，就需要将掺杂后的n型半导体和p型半导体相邻放置！

原文链接：The PN Junction Diode and Diode Characteristics 该篇教程探讨了通过将n型半导体材料与p型半导体材料接触而形成的电子结构的物理和电气行为。

正文

半导体组件（不仅是二极管和晶体管，而且是不常见的设备，例如TRIAC和可控硅的开关）是通过组合n型和p型半导体而构成的。 因此，重要的是要了解在n型和p型材料之间的界面处会发生什么。 我们将此接口称为pn结。

pn结和半导体二极管

当我们专注于半导体操作的物理学时，我们使用术语pn结； 当我们专注于电路设计时，我们使用二极管一词。 但是它们本质上是同一回事：基本的半导体二极管是连接有导电端子的pn结。 首先让我们看一下图表，然后我们将简要探讨这个极为重要的电路元件的行为。

左边的实心圆是空穴，右边的实心圆是电子。耗尽区由与来自n型半导体的自由电子重新结合的空穴（这些重新结合的空穴由带圆圈的负号表示）和与来自p型半导体的空穴重新结合的电子（以圆圈正号表示）组成。该复合导致耗尽区的p型部分带负电，并且耗尽区的n型部分带正电。

在p型和n型材料的接合处电荷的分离会导致电位差，称为接触电位。在硅pn结二极管中，接触电势约为0.6V。如上图所示，该电势的极性与我们预期的相反：在n型侧为正，而在p型侧为负。

电流可以通过扩散流过结-由于结两部分的电荷载流子浓度不同，一些来自p型材料的空穴将扩散到n型材料中，而一些来自n型电子型材料将扩散到p型材料中。但是，几乎没有电流流过，因为接触电势对该扩散电流起阻挡作用。此时，我们将开始使用术语势垒电压代替接触电势。

正向和反向偏置

如果我们将二极管连接到电池上，使得电池的电压与势垒电压具有相同的极性，则结点将被反向偏置。 由于我们正在增加势垒电压，因此扩散电流进一步受到阻碍。

施加反向偏置电压会使结的耗尽区变宽。

另一方面，如果我们将电池的正极连接到二极管的p型侧，而负极将连接到n型侧，则我们正在降低势垒电压，从而促进电荷载流子在结上的扩散。 但是，在我们克服势垒电压并完全耗尽耗尽区之前，电流量将保持相当低的水平。 这在施加的电压等于势垒电压时发生，并且在这些正向偏置条件下，电流开始自由流过二极管。

二极管作为电路组件

前面的讨论揭示了产生硅二极管电行为的两个最突出特征的基本物理过程。

首先，当以反向偏压极性施加电压时，pn结阻止电流流动，而当以正偏压极性施加电压时，pn结允许电流流动。 这就是为什么二极管可以用作电流的单向阀的原因。

其次，当施加的正向偏置电压接近势垒电压时，流过二极管的电流呈指数增长。 这种指数电压-电流关系使正向偏置二极管的电压降保持相当稳定，如下图所示。

二极管的工作量可以近似为一个恒定的电压降，因为很小的电压增加对应于很大的电流增加。

下图阐明了二极管的物理结构，其电路符号以及我们用于其两个端子的名称之间的关系。 施加正向偏置电压会使电流沿蓝色箭头方向流动。

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