PN结的原理和单向导电性

PN结的原理

采用不同的掺杂工艺将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成了PN结， PN结具有单向导电性 。

物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散，在交界面形成电子-空穴复合对，于是形成空间电荷区/内电场/耗尽层 。随着扩散运动的进行 ，空间电荷区加宽 ，内电场增强，其方向由N区指向P区，正好阻止了扩散运动的进行。

在电场的作用下，载流子的运动称为漂移运动。当空间电荷区形成后，在内电场的作用下，少子产生漂移运动，空穴(带正电)从N区向P区运动，而自由电子(带负电)从P区向N区运动。在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结。此时，空间电荷区(耗尽层)有一定的厚度，电位差为Uho ，电流为0。

PN结的单向导电性

当PN结两端外加电压时就会破坏内部的平衡状态，扩散电流不再等于漂移电流，因而PN结将有电流流过。当外加电压极性不同时，PN结将表现出截然不同的导电性能，即呈现出单向导电性。

PN结外加正向电压时导通

当电源的正极接到PN结的P端，且电源的负极接到PN结的N端时，称PN结外加正向电压/偏置。此时外电场将多数载流子推向 空间电荷区，使其变窄，削弱了内电场，使得扩散运动加剧，漂移运动减弱。由于电源的作用，扩散运动将源源不断地进行，从而形成正向电流，PN结导通。PN结导通时的结压降只有零点几伏，因为应在它所在的回路中串联一个电阻，以限制回路的电流，防止PN结因正向电流过大而损坏。

PN结外加反向电压时截止

当电源的正极接到PN结的N端，且电源的负极接到PN结的P端时，称PN结外加反向电压/偏置。外电场使空间电荷区变宽，加强了内电场，阻止扩散运动的进行，加剧漂移运动的进行，形成反向电流(漂移电流)。因为少子的数目极少，即使所有的少子都参与漂移运动，反向电流也非常小，所以在近似分析中认为，PN结外加反向电压时处于截止状态 。

PN结的伏安特性

PN结所加的端电压u与流过它的电流i的关系为：

第一象限特性应用：发光二极管(Light Emitting Diode，LED)

LED是一种能将电能转换为光能的半导体器件，给LED加正向偏压就会发光，它的开启电压比普通二极管的大，红色的在1.6V~1.8V之间，绿色的约为2V，正向电流越大，发光越强。

LED辐射光的峰值波长决定于材料的禁带宽度Eg，即：

其峰值波长范围为255~1670 nm。

LED没有谐振腔，是基于自发辐射，发出的是荧光，是非相干光;

LD的发光基于 受激辐射 ，发出的光是相干光-激光。

第三象限特性应用：光电探测器

光电二极管是一种将光能与电能进行转换的器件，PN结型光电二极管利用其光敏特性，将接收到的光的变化转换为电能的变化。在无光照时，与普通二极管一样，具有单向导电性。外加正向偏压时，电流与端电压成指数关系;外加反向偏压时，反向电流称为
暗电流 ，通常小于0.2
μA。在有光照时，特性曲线下移。光电二极管在反向偏压下受到光照而产生的电流称为光电流，光电流受入射照度的控制。照度一定时，光电二极管可等效成恒流源。照度越大，光电流越大，在光电流为大于几十微安时，与照度成线性关系 。

第四象限特性应用：微型光电池

当R一定时，入射照度越大，i越大，R上获得的能量也越大，此时光电二极管作为微型光电池。