PN結(jié)的原理

采用不同的摻雜工藝將P型半導體和N型半導體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成了PN結(jié)， PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。

物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散，N區(qū)的電子向P區(qū)擴散，在交界面形成電子-空穴復合對，于是形成空間電荷區(qū)/內(nèi)電場/耗盡層 。隨著擴散運動的進行 ，空間電荷區(qū)加寬 ，內(nèi)電場增強，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，正好阻止了擴散運動的進行。

在電場的作用下，載流子的運動稱為漂移運動。當空間電荷區(qū)形成后，在內(nèi)電場的作用下，少子產(chǎn)生漂移運動，空穴(帶正電)從N區(qū)向P區(qū)運動，而自由電子(帶負電)從P區(qū)向N區(qū)運動。在無外電場和其它激發(fā)作用下，參與擴散運動的多子數(shù)目等于參與漂移運動的少子數(shù)目，從而達到動態(tài)平衡，形成PN結(jié)。此時，空間電荷區(qū)(耗盡層)有一定的厚度，電位差為Uho ，電流為0。

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當PN結(jié)兩端外加電壓時就會破壞內(nèi)部的平衡狀態(tài)，擴散電流不再等于漂移電流，因而PN結(jié)將有電流流過。當外加電壓極性不同時，PN結(jié)將表現(xiàn)出截然不同的導電性能，即呈現(xiàn)出單向?qū)щ娦浴?/p>

PN結(jié)外加正向電壓時導通

當電源的正極接到PN結(jié)的P端，且電源的負極接到PN結(jié)的N端時，稱PN結(jié)外加正向電壓/偏置。此時外電場將多數(shù)載流子推向 空間電荷區(qū)，使其變窄，削弱了內(nèi)電場，使得擴散運動加劇，漂移運動減弱。由于電源的作用，擴散運動將源源不斷地進行，從而形成正向電流，PN結(jié)導通。PN結(jié)導通時的結(jié)壓降只有零點幾伏，因為應在它所在的回路中串聯(lián)一個電阻，以限制回路的電流，防止PN結(jié)因正向電流過大而損壞。

PN結(jié)外加反向電壓時截止

當電源的正極接到PN結(jié)的N端，且電源的負極接到PN結(jié)的P端時，稱PN結(jié)外加反向電壓/偏置。外電場使空間電荷區(qū)變寬，加強了內(nèi)電場，阻止擴散運動的進行，加劇漂移運動的進行，形成反向電流(漂移電流)。因為少子的數(shù)目極少，即使所有的少子都參與漂移運動，反向電流也非常小，所以在近似分析中認為，PN結(jié)外加反向電壓時處于截止狀態(tài) 。

PN結(jié)的伏安特性

PN結(jié)所加的端電壓u與流過它的電流i的關系為：

第一象限特性應用：發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)

LED是一種能將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導體器件，給LED加正向偏壓就會發(fā)光，它的開啟電壓比普通二極管的大，紅色的在1.6V~1.8V之間，綠色的約為2V，正向電流越大，發(fā)光越強。

LED輻射光的峰值波長決定于材料的禁帶寬度Eg，即：

其峰值波長范圍為255~1670 nm。

LED沒有諧振腔，是基于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光，是非相干光;

LD的發(fā)光基于 受激輻射 ，發(fā)出的光是相干光-激光。

第三象限特性應用：光電探測器

光電二極管是一種將光能與電能進行轉(zhuǎn)換的器件，PN結(jié)型光電二極管利用其光敏特性，將接收到的光的變化轉(zhuǎn)換為電能的變化。在無光照時，與普通二極管一樣，具有單向?qū)щ娦?。外加正向偏壓時，電流與端電壓成指數(shù)關系;外加反向偏壓時，反向電流稱為
暗電流 ，通常小于0.2
μA。在有光照時，特性曲線下移。光電二極管在反向偏壓下受到光照而產(chǎn)生的電流稱為光電流，光電流受入射照度的控制。照度一定時，光電二極管可等效成恒流源。照度越大，光電流越大，在光電流為大于幾十微安時，與照度成線性關系 。

第四象限特性應用：微型光電池

當R一定時，入射照度越大，i越大，R上獲得的能量也越大，此時光電二極管作為微型光電池。