pn结二极管的工作原理和应用

让p型半导体和n型半导体相接触形成pn结（pn junction）^[1]，由于两者内部的载流子分布不同，所以根据热扩散运动各自的多数载流子向对方的半导体流动，称之为扩散（diffusion）电流，这是破坏电位平衡的原因。空穴流出的p型半导体的电位下降，自由电子流出的n型半导体的电位上升，在两个导体间形成电位差（接触电位差（contact potential difference）或扩散电位差）。其接触电位差造成载流子向与扩散电流相反的方向移动，将由于电位差形成电场而导致的电荷流动称为漂移（drift）电流。两种电流彼此向相反方向持续流动，稳态时两者平衡，总体电流值为零。图2.3从概念上显示了稳态时pn结附近的载流子和电

^[1] 实际上并不是通过半导体的机械接触来制作pn结的，半导体的加工工艺多种多样。例如，半导体基板放置在杂质气体中，一边加热，一边从表面使杂质进行热扩散，从而形成p型或n型半导体的一部分。位的分布。电子流出的n型半导体电位高，p型的电位低，两者之间的接触部分由于电位差而导致载流子被排除，形成载流子无法停留的耗尽层（depletion layer），在这个耗尽层内裸露出不能移动的供体和受体，从而形成作为空间电荷的接触电位差。也有用所谓能级来表现该电位差的，只是需要注意它与接触电位方向的定义是相反的。

图2.3 pn结附近的载流子和电位的分布

另外，耗尽层内的载流子无法停留，来自两侧的载流子以扩散电流或漂移电流的形式来回穿梭。pn结的接触电位差由多种条件决定，硅半导体时约为0.7V，由于该电位差并不显露在两端，因此只有通过电流才能知道其存在。

将pn结接入电路中，测量它的电压电流特性。在n型半导体上施加正电压，因为原本n型半导体的电位就高，所以其电位会变得越来越高，耗尽层也相应变厚，只有极少数的载流子通过耗尽层，因此几乎没有电流流动，称这样的外加电压为反向电压（reverse voltage）。同时，将极少数载流子流动的电流称为反向电流或反向漏电流（reverse leakage current）。

将外加电压极性反转后，会像图2.4一样升高p型半导体的电位，p型半导体电位上升等同于强制降低接触电位差，耗尽层变薄，当外部的外加电压超过硅的接触电位差0.7V时，耗尽层消失，如图2.4所示，半导体双方的多数载流子自由地向对方流动，从而电流流动起来。将引起电流流动的这种外加电压称为正向电压（forward voltage），此时流动的电流称为正向电流（forward current）。另外，一方半导体的多数载流子在外加正向电压时流入对方半导体，对另一方的半导体而言则是少数载流子注入的过程，故称为少数载流子注入（minority carrier injection）。

由于这样利于导电的载流子从两侧同时注入，所以半导体的电导率剧增，将空穴和电子同时对导电有贡献的这种器件称为双极型（bipolar）器件^[1]。因此，pn结的实际电压电流特性如图2.5b所示，由于外加的正向电压e_d（约0.7V）超过了接触电位差，所以pn结的导电性剧增，使得正向电流骤然流动，这个电流变化点的电压称为偏置电压（offset voltage）。电流剧增后的电压还会再稍微增加一点点，这是由于构成pn结的半导体自身存在固有电阻，即体电阻（bulk resistance）。另外，将正向电流导通时pn结上全部的压降称为正向压降（forward drop）。

(www.zuozong.com)

图2.4 外加正向电压时pn结上载流子的分布和电流

图2.5 二极管的图形符号、实际电压电流特性以及理想特性

另一方面，正如前面所说，二极管被外加反向电压时，由于只有极小的漏电流流动，所以特性图中电流几乎为零。因此可以说pn结只在单方向流动电流，故称之为二极管（diode），它的图形符号如图2.5a所示。二极管的名称表示它只有阳极（anode，A）和阴极（cathode，K）两个电极，保留了电子管时代的双极真空管的痕迹。图形符号由电流导通的箭头方向和表示反向阻止特性的横线构成。由于反向阻止特性很重要，所以本书中将其强调而命名为反向阻止记号。

^[1] 被注入大量的两种极型的载流子以一定的几率彼此再结合而产生热能，或以光的形式进行辐射。硅二极管通常转换为热能，根据正向压降大小进行等效发热，而对于发光二极管（参考第9章），它在材质上则是具有转换为光进行辐射的特性。

二极管可以反向阻止的电压是有限制的，当外加电压超过这个限制时，二极管的耗尽层将发生电压击穿以及pn结损坏，这个电压称为反向击穿电压（re-verse breakdown voltage），如图2.5b所示。器件具有从几十到几千伏不同的反向击穿电压，若超过该电压值，则故障电流迅速上升，导致二极管损坏。与之对应，设计二极管时外加可能的反向电压的限制值被称为反向峰值电压（peaking voltage），为了不超过该电压值，使用时有必要对装置进行过电压保护设计。

二极管具有非常复杂的电压电流特性，对于含有二极管的电路，很多情况下以图2.5c所示的理想特性来表示二极管特性，也就是说，二极管在外加正电压时几乎表现为零电阻，而在外加反向电压时变为无穷大电阻。因此，二极管是受控于外部状态的状态控制开关器件。特别是如图1.3所示的例子，与通常的开关器件组成器件对，它遵从对方开关器件所形成电路的状态而互补地进行开关动作，这种状态依赖性是构成开关器件组合时非常方便的特性，由此可见，二极管是重要且不可缺少的开关器件。只是当二极管被用于在后面出现的如图6.1所示的电容器输入整流电路等场合时，由于依赖电压的微妙变化来完成开关动作，同时也因没有控制端，所以以前也曾命名二极管为不控器件。