PN结的单向导电性

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。

PN结原理1.PN结的形成原理在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。

此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差↓多子的扩散运动→由杂质离子形成空间电荷区↓空间电荷区形成内电场↓↓内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。

对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。

在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。

PN结形成过程的动态演示过程--请点击右链接图标进入：。

2. PN结的单向导电性PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大;反之是高阻性，电流小。

如果外加电压使：PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏;PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏。

(1)外加正向电压外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。

于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。

扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。

PN结加正向电压时的导电情况的动态演示--请点击右链接图标进入：。

(2)外加反向电压外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。

内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。

此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN 结呈现高阻性。

在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。

PN结加反向电压时的导电情况的动态演示--请点击右链接图标进入：PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流;PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。

作业及答案第一章1、什么是P 型半导体、N 型半导体、PN 结？P 型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼)，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成P 型半导体，亦可称为空穴型半导体。

主要靠空穴导电。

N 型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷)，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成N 型半导体，亦可称为电子型半导体。

主要靠自由电子导电PN 结：采用不同的掺杂工艺，将P 型半导体与N 型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN 结。

PN 结具有单向导电性。

2、简述PN 结的单向导电性。

在PN 结上外加一电压，如果P 型一边接正极，N 型一边接负极，电流便从P 型一边流向N 型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过，即PN 结外加正向电压时处于导通状态。

如果N 型一边接外加电压的正极，P 型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过，即PN 结外加反向电压时处于截止状态。

这就是PN 结的单向导电性。

3、简述PN 结的伏安特性。

如左图所示，当PN 结外加正向电压，电流i 随电压u 按指数规律变化；当PN 结外加反向电压，首先没有电流流过，但当反向电压增大到一定程度时，反向电流将急剧增加，将PN 结反向击穿。

P. 67四、已知稳压管的稳压值6V Z U =，稳定电流的最小值min 5mA Z I =。

求图T1.4所示电路中1o U 和2o U 各为多少伏。

解：(a) 1316V 2=1086(500102)6L oDZ L o R K U U V V U V R R K U V-Ω∴⨯=⨯=>=+⨯+Ω∴=只有当加在稳压管两端的电压大于其稳压值时，稳压管输出电压才为：(b) 226V 5=105(55)5L o L o R K U U V V R R K U VΩ∴⨯=⨯=++Ω∴=只有当加在稳压管两端的电压大于其稳压值时，稳压管输出电压才为：P. 69－70: 1.3，1.61.3 电路如图P1.3所示，已知t u i ωsin 5=(V )，二极管导通电压U D =0.7V 。

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。

pn结的形成单向导电原理一、 pn结的基本结构1.1 pn结的定义1.2 pn结的基本结构1.3 pn结的特点pn结是一种半导体器件，由n型半导体和p型半导体级联而成。

n 型半导体和p型半导体之间形成一种特殊的结构，称为pn结。

pn结既具有n型半导体的特性，又具有p型半导体的特性，其结构简单却有着重要的应用意义。

二、 pn结的形成原理2.1 能带理论2.2 pn结的形成过程2.3 pn结的内部电场2.4 pn结的内部电荷分布pn结的形成主要依靠n型半导体和p型半导体间的扩散过程和电场作用。

当n型半导体和p型半导体级联时，由于不同材料的电子亲和能不同，n型半导体的自由电子会向p型半导体扩散，而p型半导体的空穴也会向n型半导体扩散。

这种扩散过程最终导致n型半导体一侧形成负离子区，p型半导体一侧形成正离子区，从而在pn结内部形成了电场，使得pn结具有单向导电特性。

三、 pn结的单向导电特性3.1 pn结的整流特性3.2 pn结的击穿特性3.3 pn结的导通特性pn结由于结构的特殊性，具有明显的单向导电特性。

当外加正向电压时，pn结导通，电流通过；而当外加反向电压时，pn结截止，电流不通过。

这种单向导电特性使得pn结被广泛应用于整流器、稳压器、光电器件等领域。

四、 pn结的应用4.1 pn结整流器4.2 pn结稳压器4.3 pn结光电器件pn结由于其独特的结构和优良的特性，在电子领域有着广泛的应用。

pn结整流器可以将交流电转换为直流电，广泛应用于电源供电、通信设备等领域；pn结稳压器可以稳定电压，保护电子器件不受过压损坏；pn结光电器件可以将光信号转换为电信号，应用于光通信、太阳能电池等领域。

五、总结5.1 pn结的重要性和意义5.2 pn结的应用前景pn结作为一种重要的半导体器件，在现代电子领域有着重要的作用。

其单向导电特性使得其在电子器件中有着广泛的应用，尤其在整流、稳压、光电转换等方面具有重要的地位。

pn 结单向导电性
单向导电性
PN 结加正向电压时，可以有较大的正向扩散电流，即呈现低电阻，我们称PN 结导通；PN 结加反向电压时，只有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，我们称PN 结截止。

这就是PN 结的单向导电性。

PN 结的单向导电性
PN 结具有单向导电性，若外加电压使电流从P 区流到N 区，PN 结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。

如果外加电压使：PN 结P 区的电位高于N 区的电位称为加正向电压，简称正偏；PN 结P 区的电位低于N 区的电位称为加反向电压，简称反偏。

（1）PN 结加正向电压时的导电情况。

一、填空题1.电阻元件是能元件，电容元件是能元件。

2.PN结的单向导电性指的是PN结偏置时导通，偏置时截止的特性。

3.若两个输入信号电压的大小，极性，就称为差模输入信号。

4.电路由、和三部分组成。

5.大小和方向均不随时间变化的电压和电流被称为电。

6.三角形联结的三相对称负载，若相电流为2A，则线电流为A,若相电流为10 A，则线电流为A,若相电流为20 A，则线电流为A。

7. 杂质型半导体的类型有和。

8..基本放大电路根据输入与输出回路公共端的不同可以分为、、和三种类型。

9.大小和方向均随时间按照正弦规律变化的电压和电流被称为电。

10.任何一个完整的电路都必须有、和11.已知一正弦电压u=311sin(628t-60º)V，则其最大值为V，频率为Hz，初相位为。

12.加在二极管上的正向电压大于死区电压时，二极管；加反向电压时，二极管。

13.半导体的导电能力随着温度的升高而。

14.本征半导体掺入微量的三价元素形成的是型半导体，其多子为。

15.电路如图所示，设U=12V、I=2A、R=6Ω，则U AB= V。

16.在纯电阻交流电路中，已知电路端电压u=311sin(314t-60º)V，电阻R=10Ω，则电流I= A,电压与电流的相位差φ= ，电阻消耗的功率P= W。

17.PN结的单向导电性指的是PN结偏置时导通，偏置时截止的特性。

18.已知图中U1＝2V，U2＝-8V，则U AB＝。

19.电路中任意一个闭合路径称为；三条或三条以上支路的交点称为。

20.直流电路如图所示，R1所消耗的功率为2W，则R2的阻值应为Ω。

21.在直流电路中，电感可以看作，电容可以看作。

22.三相对称负载作三角形联接时，线电流I L与相电流I P间的关系是：I P＝I L。

二、判断题（）1．在直流电路中，电感可以看作短路，电容可以看作断路。

（）2. 电压是产生电流的根本原因。

因此电路中有电压必有电流。

（）3.换路定则既适用于储能元件，又适用于耗能元件。

半导体的导电特点：
半导体材料：
物质分为导体、半导体、绝缘体。

半导体是4价元素
半导体材料的特点：
半导体的导电能力受光和热影响。

T↑导电能力↑
光照↑导电能力↑
纯净的半导体掺入杂质导电性会大大增强。

纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征半导体。

杂质半导体：
N型半导体：掺5价元素，如磷，自由电子数多于空穴数，自由电子数是多子。

P型半导体：掺3价元素，如硼，空穴数多于自由电子数，空穴是多子。

扩散运动与漂移运动：载流子由于浓度差异而形成运动叫扩散运动。

在电场作用下，载流子的定向运动叫漂移运动。

PN结的形成：
PN结的单向导电性：
四、习题练习
五、总结答疑
课后（拓展）：包括作业
布置等
教学反思。

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。

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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结的单向导电性：PN结加正向电压时，可以有较大的正向扩散电流，即呈现低电阻，我们称PN结导通；PN结加反向电压时，只有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，我们称PN结截止。

这就是PN结的单向导电性。

什么是零点漂移现象：指当放大电路输入信号为零（即没有交流电输入）时，由于受温度变化，电源电压不稳等因素的影响，使静态工作点发生变化，并被逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动的现象。

如何解决：采用差动电路。

即输入级采用高性能的差动放大电路，来克服温度带来的零点漂移问题。

什么是频率响应：在放大电路中，当输入信号频率过高或过低时，其放大倍数的值会减少，并产生相移。

说明放大倍数是信号频率的函数，这种函数关系称之为频率响应。

负反馈对放大电路的影响：提高放大倍数的稳定性，扩展放大器的通频带，减小放大器非线性和内部噪声的影响，影响输入电阻和输出电阻。

正弦波振荡电路有哪几部分组成：放大器，正反馈网络和选频网络和稳幅环节四部分构成。

放大电路，正反馈网络满足振荡条件；选频网络实现单一频率的振荡；稳幅环节稳定振荡幅度，波形好。

直流稳压电源主要由四部分组成：电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。

稳压电源各部分电路的作用★电源变压器：将电网提供的220V交流电压转换为各种电路设备所需的交流电压。

★整流电路：利用单向导电器件将交流电转换成脉动直流电路。

★滤波电路：利用储能元件（电感或电容）把脉动直流电转换成比较平坦的直流电。

★稳压电路：利用电路的调整作用使输出电压稳定的过程称为稳压。

市场上做直流稳压电源很多，。

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。

pn结的单向导电性
pn结是一种电子器件，也称为一种带有两个极性的特殊电路结构，它由p半导体和n半导体连接而成，并具有单向导电性能。

p型半导体的导电性能是因其具有正电荷的移动缺陷，接受外部电压和电流；而n型半导体的导电性能具有负电荷的移动缺陷，接受外部电压和电流。

pn结的单向导电性能是指它具有单向电流流动的能力，也就是说电子在pn结路中只能在一个方向上流动，也就是它们只能由p型半导体流到n型半导体，即由正向流动到反向。

pn结单向导电性的原理主要是由p和n半导体构成的pn结上存在一种称为均衡状态的电势屏障，这种均衡状态的电势屏障会使电子在pn结中只能在一个方向上流动，即正向流动。

pn结的单向导电性主要是由这种均衡状态的电势屏障决定的，它会使负电荷在pn结中只能从n型向p型半导体流动，而正电荷则只能从p型向n型半导体流动，来实现单向电流流动的效果。

另一方面，pn结也有一些其他性能，例如具有较低的比率阻抗等。

由于pn结具有单向导电性，因此其阻抗率也要低于其它电路结构。

当一个电路结构具有较低的阻抗率时，它就可以更有效地将电压和电流传输出去，从而提高系统的效率。

因此，pn结的单向导电性特性不仅可以使电子在pn结中只能在一个方向上流动，还可以提高电路的效率。

pn结的单向导电性是它重要性能之一，它为电子电路提供了更高的效率，并可以用于制造各种电子设备。

pn结的单向导电性不仅
可以控制电子在pn结中的方向，而且还能有效提高电路的效率，使之更加稳定，经久耐用。

因此，pn结的单向导电性在电子电路中发挥着重要作用，并且它也是制造电子元件的重要因素。