PN结及单向导电性

pn结单向导电的原理-回复PN结单向导电的原理引言：PN结是半导体物质中最基本的结构之一，是现代电子器件中广泛应用的核心组成部分。

具有单向导电性质的PN结被广泛应用于二极管、光电二极管、太阳能电池等电子器件中。

本文将从基本概念出发，一步一步解释PN结单向导电的原理。

一、PN结的构成PN结由P型半导体和N型半导体材料组成。

P型半导体是通过在纯硅中掺入三价元素（如硼）形成的，它的主要载流子是空穴。

N型半导体则是通过在纯硅中掺入五价元素（如磷）形成的，其主要载流子是自由电子。

在P型半导体中，三价元素硼掺杂后，少了一个电子，形成了“空穴”。

而在N型半导体中，五价元素磷掺杂后，多了一个自由电子。

当P型和N 型半导体材料相互接触时，形成了PN结。

二、内建电场的形成当P型和N型半导体相接触时，发生了电子的扩散，自由电子从N区向P区扩散，空穴从P区向N区扩散。

这种扩散过程会导致N区的电子浓度增加，P区的空穴浓度增加，逐渐形成电子云和空穴云。

电子云和空穴云中存在着电荷分布的差异，这导致了PN结附近的电场形成。

由于电子云和空穴云的电荷分布不同，形成了内建电场。

内建电场方向从N区指向P区。

三、正向偏置状态在PN结中，当正向电压（与电子云和空穴云的分布方向相同）施加在P 区，负向电压（与电子云和空穴云的分布方向相反）施加在N区时，被称为正向偏置状态。

在正向偏置状态下，正电压使得P区的空穴云向内移动，N区的电子云向内移动。

这样，内建电场被削弱，PN结的阻断层变得较薄。

载流子在PN 结中可以流动，形成了导电通道。

电流可以正常通过PN结，此时PN结呈现出导电的特性。

四、反向偏置状态在PN结中，当负向电压施加在P区，正向电压施加在N区时，被称为反向偏置状态。

反向偏置状态下，反向偏压增强了内建电场的作用，使得PN 结的阻断层更加厚，不利于载流子的流动。

在反向偏置状态下，只有少数的载流子发生漂移，并且只有少量的载流子通过PN结。

因此，反向偏置状态下，PN结不会有可观的电流通过，表现为绝缘或高阻态。

一、P N结的形成在基材本征半导体上利用一定的工艺制作一个P区(P型半导体)，制作一个N区(N型半导体)，在两区交界处，由于多子的扩散运动，在交界处形成了正负电荷(正负离子)区。

空穴的扩散运动自由电子的扩散运动3价杂质原子形成的负离子5价杂质原子形成的正离子正负电荷产生静电场静电场静电场方向少子产生漂移运动静电场促使少子漂移静电场阻止多子扩散扩散运动和漂移运动达到平衡(动态平衡)，形成P N结，又称为空间电荷区还称为耗尽层。

二、P N 结的单向导电性P N 结正偏:外加电源使P 区的电位高于N 区的电位，称外加正向电压。

P N 结反偏:外加电源使P 区的电位低于N 区的电位，称外加反向电压。

P N 结正偏限流电阻◆正偏状态的P N结称为导通状态，扩散电流称为正向导通电流。

◆外电场使空间电荷区变窄，多子扩散运动加强，阻止少子的漂移运动。

P N 结反偏◆反偏状态的P N 结称为截止状态，漂移电流称为反向电流。

◆外电场使空间电荷区变宽，阻止多子扩散运动，加强少子的漂移运动。

◆因为少子量少，漂移电流很小，在近似计算中认为该电流为0。

◆单向导电性：正向导通，反向截止。

三、P N 结的电容效应◆ P N 结内部有动态电荷和束缚电荷两种，这两种电荷的多少都受外电场的影响，所以P N 结有电容效应。

P N 结正偏时外电场对动态电荷影响较大，此时的电容称为扩散电容C d 。

P N 结反偏时外电场对束缚电荷影响较大，此时的电容称为势垒电容C b 。

结电容bd j C C C +=◆ P N 结的电容效应使半导体器件在电子电路中对信号频率有一定的限制，当频率太高时，P N 结将失去单向导电性。

总结：本节知识点的关键词：扩散运动；漂移运动；空间电荷区；单向导电性；结电容。

思考题1.P N结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？2.为什么半导体器件有最高工作频率？。

《电工2》复习资料2012.07一、填空题1.PN结具有单向导电特性。

加正向电压时导通，其正向电阻较小；加反向电压时截止，其反向电阻很大。

2.半导体三极管按照结构不同可分为 NPN型和 PNP型两种类型，按照所用材料不同可分为硅管和锗管两种类型。

3. 通常根据三极管的工作状态不同，可以把输出特性曲线划分为截止、放大和饱和三个区域。

4.测得在放大状态的三极管的三个管脚电位分别是15.5v、6v、6.7v，试确定15.5v对应的是集电极，6v对应的是发射极，6.7v对应的是基极；该三极管类型是 NPN型。

5.测得在放大状态的三极管的三个管脚电位分别是2.5v、3.2v、9v，试确定2.5v对应的是发射极，3.2v对应的是基极，9v对应的是集电极；该三极管类型是 NPN型。

6.测得在放大状态的三极管的三个管脚电位分别是-0.7v、-1v、-6v，试确定-0.7v对应的是发射极，-1v对应的是基极，-6v对应的是集电极；该三极管类型是 PNP型。

7.当半导体三极管处于截止状态时的条件是：发射结反偏，集电结反偏；如处于放大状态时的条件是：发射结正偏，集电结反偏；如处于饱和状态时的条件是：发射结正偏，集电结正偏。

8.多级放大电路中常用的极间耦合方式有阻容耦合、直接耦合、变压器耦合三种方式。

9.电压串联负反馈具有输入电阻大、输出电阻小、输出电压稳定等特点；电压并联负反馈具有输入电阻小、输出电阻小、输出电压稳定等特点；电流串联负反馈具有输入电阻大、输出电阻大、输出电流稳定等特点；电流并联负反馈具有输入电阻小、输出电阻大、输出电流稳定等特点。

10.直流稳压电源是由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成的。

11.在滤波电路中通常把电容滤波器和电感滤波器结合起来构成LC滤波器。

12.放大电路的非线性失真有饱和失真和截止失真两种情形。

13.（59）10＝（111011）2＝（3B）1614.（11011 ）2=（ 1B ）16=（ 33 ）815. （123 ）10=（ 1111011）2=（ 173 ）8二、计算题1. 共射极放大电路（或者分压式共射极偏置电路或者射极输出器）（1） 画出它的直流通路；（2） 求静态工作点；（3） 画出微变等效电路；（4） 计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。

什么叫PN结的单向导电性1.什么叫PN结的单向导电性？PN结加正向电压？PN结加反向电压？(p123)PN结加正向电压是指P区接电位，N 区接电位。

PN结具有向导电性是指PN结加向电压导通，加向电压截止。

2. 常温下硅管及锗管的死区电压，正向导通电压各为多少伏？0.5，0.2，0.7，0.3伏(p125)3.三极管工作在放大区，饱和区，截止区的外部条件各是什么？(p147) (自己做p146/6-6，4. 三极管工作在放大区的外部条件是发射结偏，集电结偏；三极管工作在饱和区的外部条件是发射结偏，集电结偏；三极管工作在截止区的外部条件是发射结偏或偏，集电结偏。

5.NPN型三极管实现放大作用的条件是：PNP型三极管实现放大作用的条件是：A、V E>V B >V CB、V C>V B > V EC、V B>V E。

>V CD、V C>V E > V B6.假设下列各管均为硅管，根据三极管各极对地的电位，判断三极管为硅管还是锗管，为NPN型还是PNP型，工作状态为放大、饱和，还是截止：(自己做p147/6-13 p147/6-14 )V1为硅管, ，为型，为状态V3为锗管,为型，为状态7.在晶体管放大电路中，测得晶体管的各个电极的电位如图1.1所示，该晶体管的类型是Ａ．NPN型硅管Ｂ．PNP型硅管Ｃ．NPN型锗管2V 6VＤ．PNP型锗管1.3V8.直流稳压电源一般由哪4部分组成？每部分作用是什么？(p210 )并联型稳压电路中，稳压二极管主要工作在反向 区。

( p216 p218 )9.试写出单相（半）全波整流输出电压公式？ V O =0.45V 2 V O =0.9V 2 ？ (p211/212) 试写出单相（半）全波整流再滤波后输出电压公式？V O =1.0V 2 V O =1.2V 2？(p213)10.画出与，或，非，与非，或非 ，异或门的逻辑符号，写出逻辑表达式，（p229-233） 与门电路的逻辑功能是 ， ； 或门电路的逻辑功能是 ， 。

PN结的单向导电性及其分析作者：高俊杰来源：《电子技术与软件工程》2017年第12期摘要本文意在从本质上揭示PN结的导电机理，换种思路理解PN结的单向导电性。

找出规律在于化繁为简，本文若被认可也许能够建立起一种更为简单的PN结模型。

【关键词】微小的间隙接触电阻接触电动势单向导电1 前言提起PN结，大家都知道它具有正向导通、反向截止的特性，但PN结为何具有单向导电性呢？这个问题就复杂了，现在比较流行的是引入一个“空间电荷区”的概念来解释的，这就需要从PN结的构造说起。

2 PN结的单向导电性半导体具有掺杂性，P型和N型半导体就是利用在本征半导体也就是纯净的半导体中掺入不同价位的杂质元素而形成的。

P型也叫空穴型半导体，它是在硅、锗等4价元素中掺入3价的硼、铝等受主杂质，在其共价键结构中缺少1个电子而形成空穴（见图1）。

N型半导体则在硅、锗等4价元素中掺入5价的施主杂质磷、锑等，这时就会在共价键中多出一个电子而形成自由电子（见图2），因此半导体就具有了两种载流子——电子和空穴对。

在P型半导体中空穴是多子、电子是少子；N型半导体则相反，电子是多子、空穴是少子。

如果通过光刻和杂质扩散等方法就能将一块半导体分成P型半导体和N型半导体两部分，它们之间就是一个PN结。

它是构成半导体器件的基础，其实一个二极管就是一个PN 结。

那么PN结是怎么具有单向导电性的呢？通常的说法是在不加外电压时，这个PN结中P区的多子是空穴，N区的多子是电子（通常只考虑多子），因为浓度差，载流子必然向浓度低的方向扩散。

在扩散前，P区与N区的正负电荷是相等的，呈电中性。

当P区空穴向N区移动时，就在PN结边界处留下了不能移动的负离子，用带蓝圈的负电荷表示；当N区自由电子向P区移动时，就在PN结边界处留下了不能移动的正离子，用带红圈的正电荷表示，这样就在空间电荷区内产生了一个内建电场Upn，电场的方向是由N区指向P区的。

在扩散作用下随着Upn增大，载流子受到电场力Upn 的作用而做漂移运动，它的方向与扩散运动相反，最终使载流子扩散与漂移达到动态平衡，形成了空间电荷区，如图3所示。

半导体现在市场上的半导体大多是硅元素.但是半导体大多数都在过度元素部分找,详情见元素周期表。

不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。

本征半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，因此，不宜直接用它制造半导体器件。

半导体器件多数是用含有一定数量的某种杂质的半导体制成。

根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体两种。

什么是N型半导体？P型半导体？在纯净的硅晶体(本征半导体)中掺入五价元素（如磷，锑，砷等），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。

在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼、铟等。

），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体。

主要的掺杂方法有离子注入和热扩散原理P型半导体硼元素最外层只有三个电子，而硅最外层有四个电子，硼掺进去后，与硅就不能形成稳定的8个电子的结构，形成一个空穴。

这个空穴相当于一个正电子。

可在导体中运动。

在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的3价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子，占据晶格上的某些位置，如图Z0104所示。

由图可知，硼原子的3个价电子分别与其邻近的3个硅原子中的3个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另1个硅原子的共价键中则缺少1个电子，出现了1个空穴。

这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使3价的硼原子获得了1个电子而变成负离子。

同时，邻近共价键上出现1个空穴。

由于硼原子起着接受电子的作用，故称为受主原子，又称受主杂质。

在本征半导体中每掺入1个硼原子就可以提供1个空穴，当掺入一定数量的硼原子时，就可以使半导体中空穴的数目远大于本征激发电子的数目，成为多数载流子（多子），而电子则成为少数载流子（少子）。

显然，参与导电的主要是空穴，故这种半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。

P型半导体中，空穴浓度远大于自由电子浓度。

空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。

空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。

掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。

PN结的单向导电性PN结在外加电压的作用下，动态平衡将被打破，并显示出其单向导电的特性。

1、外加正向电压当PN结外加正向电压时，外电场与内电场的方向相反，内电场变弱，结果使空间电荷区（PN结）变窄。

同时空间电荷区中载流子的浓度增加，电阻变小。

这时的外加电压称为正向电压或正向偏置电压用VF表示。

在VF作用下，通过PN结的电流称为正向电流IF。

外加正向电压的电路如图所示。

2、外加反向电压外加反向电压时，外电场与内电场的方向相同，内电场变强，结果使空间电荷区（PN结）变宽, 同时空间电荷区中载流子的浓度减小，电阻变大。

这时的外加电压称为反向电压或反向偏置电压用VR表示。

在VR作用下，通过PN结的电流称为反向电流IR或称为反向饱和电流IS。

如下图所示。

3、PN结的伏安特性根据理论分析，PN结的伏安特性可以表达为：式中iD为通过PN结的电流，vD为PN结两端的外加电压；VT为温度的电压当量=kT/q=T/11600=0.026V，其中k为波尔慈曼常数（1.38×10-23J/K），T 为绝对温度（300K），q为电子电荷（1.6×10-19C）；e为自然对数的底；IS为反向饱和电流。

财务一周工作小结[财务一周工作小结]财务一周工作小结 上班一周，第一天把手头的工作理了理头绪;第二、三天去帮学院收费，下班后又回到办公室加班，所以周四的时候基本上理清了SZGT股权调整的问题，并反应到王老师那里;周五上午把王老师提出的意见完善后又向王老师请教了一个关于交叉持股的问题，之后回办公室和敏敏聊了半个上午，到下午又去参加公司党委的活动了，财务一周工作小结。

一周大致情况就这样，一个人待在办公室里的感觉不像想像中的那么差。

没有人聊天，工作效率更高了。

这一周总的来说，工作完成得还不错，今天来加了半天班，除了还有两个问题需要向电子和通信两个集团相关人员请教一下之外，其他的都整理好了。

希望明天能顺利找到需要的信息，然后报给王老师。

第1章半导体晶体管和场效应管一、重点和难点1.半导体材料的导电特性半导体材料的导电特点决定了半导体器件的特点和应用场合，因此透彻的了解半导体的导电特点是学习电子技术的基础，也是本章的重点之一。

2.PN结的单向导电性所有的半导体器件都是由一个或者多个PN结组合而成的，深刻理解PN结的单向导电性的特点是本章的重点。

3.二极管的参数二极管的参数中，有表示极限的参数，有表示优劣的参数，同时有直流参数，又有交流参数，有建立在时间积累效应基础上的电流参数，还有建立在雪崩效应和隧道效应基础上的瞬时电压参数，正确的理解二极管的参数是应用的前提和基础，掌握每个参数的意义是本章的重点，也是本章的难点，4.二极管的应用二极管的主要利用其单向导电性可以用来构成各种电路，二极管的应用是本章的重点。

5.三极管的结构三极管的是由两个相互关联的PN结构成的，三极管由于其内部载流子的运动规律难于形象描述而成为本章的难点。

6.三极管的特性三极管不论输入还是输出都是非线性的，故此其为本章的难点，由于了解管子的特性是对于管子应用的基础和前提，因此正确理解输入电流对输出电流的控制也是本章的重点。

7.三极管的应用三极管在日常生活中有着非常广泛的应用，模拟电子中主要用其放大作用，数字电子中主要用其开关作用。

学习的目的主要是为了应用，因此是本章的重点。

二、学习方法指导1.半导体材料的导电特性半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间，其导电特性包括：对温度反映灵敏(热敏性) ，杂质的影响显著(掺杂性) ，光照可以改变电阻率(光敏性)。

2.自由电子和空穴当一部分价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子后，共价键中就留下相应的空位，这个空位被称为空穴。

原子因失去一个价电子而带正电，也可以说空穴带正电。

在本征半导体中，电子与空穴总是成对出现的，它们被称为电子空穴对。

如果在本征半导体两端加上外电场，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子将产生定向移动，形成电子电流；一是由于空穴的存在，价电子将按一定的方向依次填补空穴，亦即空穴也会产生定向移动，形成空穴电流。

pn 结电流电压特性1，pn 结的单向导电性（a）正向偏压下，pn结势垒的变化和载流子的运动处于热平衡状态的pn 结，空间电荷区内载流子浓度很低，电阻很大；p型和n型电中性区的载流子浓度很高，电阻很小。

因此，当给pn 结施加正向电压（即电源正极接p区，负极接n 区）时，外加偏压基本施加在势垒区。

正向偏压在势垒区产生了与内建电场的方向相反的电场，所以削弱了势垒区的内建电场。

因而，势垒区空间电荷相应减少，势垒区的宽度相应减小，同时势垒高度也从qVbi降低至q （Vbi-V）。

处于热平衡状态的pn 结，载流子的扩散电流Jdiff 与漂移电流Jdrift 完全相等，因而无净电流通过pn 结。

对pn结施加正向偏压后，势垒区电场强度减弱，漂移运动被削弱。

此时，扩散运动强于漂移运动（Jdiff > Jdrift），即产生了由电子从n 区指向p 区，空穴从p 区指向n 区的净扩散电流。

由于此时是多子的注入，当pn结被施加正向偏压时，可以产生很大的正向电流JF。

（b）反向偏压下，pn结势垒的变化和载流子的运动当pn 结被施加反向电压时，即电源正极接n区，负极接p 区时，反偏电压施加在势垒区的电场方向与内建电场的方向相同，势垒区的电场被增强，空间电荷区宽度增大，势垒高度由qVbi增高至q（Vbi + V）。

当pn 结被施加反向电压时，势垒区的电场被增强，载流子的漂移运动得到加强，使得漂移流大于扩散流（Jdiff < Jdrift），产生了空穴从n 区向p 区以及电子从p 区向n区的净漂移流。

这时，少子不断地被抽取出来，因而其浓度比平衡情况下的少子浓度还要低。

由于此时为少子的扩散运动，势垒区少子浓度已经很低，所以通过pn 结的反向电流JR 很小。

综上，当pn 结被施加正向偏压时，形成很大的正向扩散电流，pn 结呈现低电阻状态，pn 结导通；当pn 结被施加反向偏压时，形成很小的少子反向扩散电流，pn 结呈现高电阻状态，pn 结截止。

作业一：定性解释PN结的单向导电性解答：在上课时老师已经讲到：“在PN结没有外加电压时，PN结中载流子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡，所以通过PN结的总电流为零。

”此时扩散电流=漂移电流，参考图如下图所示：加正向电压时，即正偏——电源正极接P区，负极接N区，外电场的方向与内电场方向相反。

外电场削弱内电场→电场力不足以阻止扩散运动→扩散运动加强，漂移运动减弱→多子扩散形成正向电流（与外电场方向一致）。

正向电压由于引起的是多子运动，结电压很低，显示正向电阻很小，称为正向导通。

加反向电压时，即反偏——电源正极接N区，负极接P区，外电场的方向与内电场方向相同。

外电场加强内电场→更大电场力促进漂移运动→漂移运动增强→少子漂移形成反向电流。

由于反向电压引起的漂移运动是由少子形成，数量很少，所以电流很小，可以忽略不计，结电压近似等于电源电压，显示反向电阻很大，称为反向截止。

故PN结具有单向导电性。

作业二：根据给出的数据，验证摩尔定律解答:用T表示Transistor count，P表示Process，用A表示Area，用D表示Date of introduction我们假设Transistor count每x年增加一倍，则,两边同时取对数可得由此可见，函数为一次函数关系，且斜率为。

根据这个公式，我对T,P,A 分别去了对数，利用数学软件分析出了一些数据如下图所示：由图可知，函数 的斜率为0.33528，而 = 0.69314,所以x=2.06737，符合摩尔定理；而函数 的斜率为0.06097，远小于0.33528，且曲线波动较大，难以拟合，故不符合摩尔定理；对于函数 而言，其斜率应该为，对应为-0.14835，所以x=4.67233，即大概每4,5年Process 变为原来的一半。

19701975198019851990199520002005201020152020510152025l n (T )/l n (P )/l n (A )Date of introduction。