作为一名硬件工程师，二极管在电路中经常会使用到，都说二极管是由PN结构成具有单向导电性，但是我们真的清楚PN结是如何形成的吗？

可以带着几个基础问题阅读:

什么是半导体？

什么是本征半导体？

什么是P/N型半导体？

P/N型半导体本身带电吗？

二极管的PN结是如何形成的？

一，半导体的基础知识.

自然界的各种物质，根据其导电能力的差别，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。有些材料，它们的导电性能介于导体和绝缘体之间，而且电阻不随温度的升高而增加，反而随温度的升高而减小，这种材料称为半导体。在电子器件中，常用的半导体材料有：元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等；以及掺杂或制成其他化合物半导体材料，如硼（B）、磷（P）、铟（In）和锑（Sb）等。

在纯净的半导体中，掺入极微量的杂质元素，就会使它的电阻率发生极大的变化。例如，在纯硅中掺入百万分之一的硼元素，其电阻率就会从Ω?cm减小到0.4Ω?cm，也就是硅的导电能力提高了50多万倍。人们正是通过掺入某些特定的杂质元素，人为地控制半导体的导电能力，制造成不同类型的半导体器件。现在，几乎所有的半导体器件，都是用掺有特定杂质的半导体材料制成的。

二，半导体的结构

构成一切物质的基础是原子，按照原子排列形式不同，物质可分为晶体和非晶体两大类。晶体通常都具有规则的几何形状，它内部的原子按照一定的晶格结构有规律地整齐排列着。半导体材料硅和锗都是晶体，由化学元素周期表可知，硅和锗都是四价元素，也就是说，它们的原子最外层轨道上都有4个价电子。图1-1（a），（b）为硅和锗的原子结构。处在原子核最外层的这4个电子叫做价电子，有几个价电子就叫几价元素，这样就可用图（c）来表示四价元素硅和锗。

由原子结构理论知道，原子最外层电子达到8个时呈现比较稳定的状态，因此两个相邻原子价电子必须成对地存在。如图1-2所示，这一对价电子同时受这两个原子核的束缚，为它们所“共有”，我们叫它为“共价键”。由于共价键的存在，原子核最外层相当于有8个电子，比较稳定，因此本征半导体（纯净的不含其他杂质的半导体称为本征半导体）不易导电。但稳定是相对的，共价键上电子所受的束缚不像绝缘体那样牢固，在一定温度或光的照射下，共价键上的少数电子可能获得足够能量，挣脱原子核束缚而成为自由电子参加导电；同样在本征半导体中掺入杂质也会产生自由电子参加导电。

N型半导体

如果在本征半导体如硅（Si）、锗（Ge）中掺入微量的五价元素如砷、锑、磷等，就得到N型半导体，这时组成共价键结构如图1-3（a）所示，图（b）为N型半导体简化示意图。一个五价原子就能使半导体多余一个电子，多余的电子受原子核的束缚很弱，通常在常温下就可以脱离原子而成为自由电子。因为每个五价原子都多出一个电子，所以自由电子的数量很多。这种半导体主要靠电子导电，因而称为电子型半导体，简称N型半导体。

2.P型半导体

如果在本征半导体硅（Si）、锗（Ge）中掺入微量的三价元素钢、砌或铝等，就形成了P型半导体。这时所组成的共价键如图1-4（a）所示，图（b）为P型半导体简化示意图。一个三价原子就使半导体中缺一个价电子，即出现一个空位，简称空穴。这个空穴很容易被邻近价电子填补，这就在邻近原子中形成一个空穴，空穴相当于带正电的粒子。因为每个三价原子都产生一个空穴，所以空穴的数量很多。这种半导体主要靠空穴导电，因而称为空穴型半导体，简称P型半导体。

综上所述，不论是硅本征半导体还是锗本征半导体，都可以通过掺入少量五价或三价原子而形成N型半导体或P型半导体。但就整块半导体而言，它既没有失去电子，也没有得到电子，所以是中性的。

3.PN结

如图1-5所示，把P型半导体和N型半导体结合在一起，这时由于P型半导体（简称P区）中空穴的浓度大，N型半导体（简称N区）中电子浓度也大，因此，在两者的结合面处会发生电子与空穴的扩散，如图1-5（a）所示。在扩散过程，一方面P区中的空穴越过交界面与N区中的电子复合掉；另一方面N区中的电子也越过交界面与P区中的空穴复合掉，这样就在N区靠近交界面处带正电荷，在P区靠近交界面处带负电荷，即在P区、N区交界面的薄层区内一边带正电荷，一边带负电荷，这个薄层区称作PN结，如图1-5（b）所示。PN结是晶体二极管和三极管等半导体器件的基本结构，晶体二极管是由一个PN结组成的，三极管是由两个PN结组成的。

由于PN结两边有带正电和带负电的薄层区，因此，在它的交界面就形成一个电位差，电位差越高，阻止扩散的作用也就越大。理论与实验可以证明，用硅材料制成的PN结，这个电位差为0.5V~0.7V，锗材料制成的PN结电位差为0.2V-0.3V。

三，PN结的单向导电特性

PN结加正向电压

如图1-6所示，将P区接电池的正极，N区接电池的负极，这种接法叫做PN结正向连接或正向偏置，简称正偏。

正向接法时，外电场的方向与PN结中内电场的方向相反，因而削弱了内电场。此时，在外电场的作用下，P区中的空穴向右移动，与空间电荷区内的一部分负离子中和；N区中的电子向左移动，与空间电荷区内的一部分正离子中和。结果，使空间电荷区的宽度变窄，最后形成一个较大的回路电流I，其方向在PN结中是由P区流向N区。

PN加正向电压时，PN结端电压降为：硅材料0.5V~0.7V，锗材料0.2V~0.3V，我们称这电压降为正向压降，这时回路中的电流为正向电流。

PN结加正向电压时，只要在PN结上加上一个很小的电压，即可得到较大的正向电流、为了防止回路中电流过大，一般在电路中使用时需要一个限流电阻R。

2.PN结加反向电压

如图1-7所示，将N区接电池的正极，P区接电池的负极，这种接法叫做PN结反向连接或反向偏置，简称反偏。

反向接法时，外电场与内电场的方向一致，因而增强了内电场的作用。此时，外电场使P区中的空穴和N区中的电子各自向着远离耗尽层的方向移动，从而使空间电荷区变宽。此时，PN结不导电，回路电流几乎为零，我们称这个电流为反向漏电流。

3.PN结的单向导电性

综上所述，当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中的反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。可见，PN结具有单向导电性。

但是，PN结所加的反向电压不能太大，当反向电压增大到某一数值，由外电压产生的电场强度足以破坏硅或锗元素组成的共价键时，回路电流将突然急剧增大，这就是通常所说的击穿，这时所对应的外加电压叫做反向击穿电压。反向击穿电压直接限制了PN结反向工作电压的提高，因为一旦击穿，PN结就被破坏。

文章到这里开头的问题应该能找到答案了。

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参考：《从零开始学模拟电子技术》

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