二极管的pn结

pn结二极管的单向导电性

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。

pn结工作原理

PN结是由P型半导体和N型半导体材料结合而成的一种二极管结构。其工作原理主要涉及了P型半导体的空穴（正电荷载流子）和N型半导体的自由电子（负电荷载流子）之间的扩散和漂移过程。

当PN结处于正向偏置时，P型半导体的空穴向结区域扩散，而N型半导体的自由电子向结区域漂移。扩散过程中，空穴和自由电子发生复合消失，形成电荷中性的正负离子。这样，在结区域的一侧积累了正离子，而在另一侧积累了负离子，形成了电场。这个电场阻碍了进一步的电荷扩散，称为势垒。势垒形成后，电流可以通过PN结，这就是二极管正向导通的原理。

当PN结处于反向偏置时，P型半导体的空穴向结区域扩散，N型半导体的自由电子向结区域漂移。扩散过程中，空穴和自由电子快速发生复合消失，形成电荷中性的正负离子。由于没有形成有效的电场，电流几乎不能通过PN结，这就是二极管反向截止的原理。

PN结的工作原理可用以下过程概括：

1. 正向偏置：空穴和自由电子在结区域发生复合消失，形成电场势垒，电流通过。

2. 反向偏置：快速复合消失形成电荷中性，电流几乎不能通过。

最后的原理可以用言简意赅的句子来总结：PN结的工作原理是通过正向偏置形成势垒，阻碍电荷扩散，使电流通过；而反向偏置时，电荷快速复合消失，电流几乎不能通过。

二极管的pn结

二极管是一种具有两个电极的电子元件，其中一个电极被称为阳极（Anode），另一个电极被称为阴极（Cathode）。二极管的关键部分是由p型半导体和n型半导体组成的pn结。本文将详细介绍二极管的pn结的结构、工作原理以及其在电子技术中的应用。

一、pn结的结构

pn结由p型半导体和n型半导体通过熔融或扩散等工艺连接而成。p型半导体中含有杂质原子，如硼（B）或铝（Al），使其电子浓度较低；而n型半导体中含有杂质原子，如磷（P）或砷（As），使其电子浓度较高。当p型和n型半导体连接在一起时，形成了一个p区和一个n区，即pn结。

二、pn结的工作原理

当二极管处于正向偏置时，即将阳极连接到p区，阴极连接到n区，此时电流可以流过二极管。在正向偏置下，p区中的空穴将向n区移动，而n区中的电子将向p区移动。由于空穴和电子在pn结中的重新组合，形成一个正电荷区和一个负电荷区，这被称为耗尽区。在耗尽区中形成的电场会阻止进一步的电子和空穴移动，形成一个电势垒。

当二极管处于反向偏置时，即将阳极连接到n区，阴极连接到p区，此时电流几乎无法流过二极管。在反向偏置下，p区中的电子将被吸引到n区，而n区中的空穴将被吸引到p区。这导致电子和空穴在耗尽区中进一步分离，增加了电势垒的宽度。因此，反向偏置下的电流非常小，几乎可以忽略不计。

三、pn结的应用

1.整流器：由于二极管在正向偏置时允许电流通过，在反向偏置时阻止电流流动，因此它可用作整流器。在交流电源中，二极管可以将交流电信号转换为直流电信号，实现电能的有效利用。

2.发光二极管（LED）：发光二极管利用pn结的特性，当注入电流时，电子和空穴在pn结中重新组合，产生光。这种发光现象被应用于各种照明和显示领域。

3.太阳能电池：太阳能电池是利用光照射时光电效应产生的电能。太阳能电池利用pn结的特性，当光照射到pn结上时，光子会激发电子和空穴，从而产生电流。

第３３卷　第１１期　２０１３年ｌ１月　物　理　实　验　ＰＨＹＳ１ＣＳ　ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＴ１０Ｎ　Ｖｏ１．３３　Ｎｏ．１ｌ　ＮＯＶ．，２Ｏ１３　

二极管ＰＮ结的正向电流特性测量　

马元良，李海琴，毛多鹭，张以生，李　仲　

（青海民族大学物理与电子信息工程学院，青海西宁８１０００７）　

摘　要：使用ｎＡ级的微电流源测量了１Ｎ４１４８二极管的微电流伏安特性，分析了二极管ＰＮ结的扩散电流和复合　电流对伏安特性的影响．通过ｌＮ４１４８二极管与￥９０１４三极管等效ＰＮ结的微电流伏安特性相比较。解释了不直接用二　极管测量玻尔兹曼常量的原因．　关键词：ＰＮ结；扩散电流；复合电流；玻尔兹曼常量　中图分类号：０４７５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—４６４２（２０１３）ｌｌ一０００４—０４　

１　引　言　

目前大学物理实验中开设有二极管伏安特性　测量实验、ＰＮ结正向伏安特性测量实验　］．前　

者开设的是电学实验，较少涉及半导体物理的内　

容；后者通常用来测量玻尔兹曼常量等参量．开　设这些实验的测量方法各有不同，但都没有涉及　

到ＰＮ结复合电流这个重要参量的测量及方　

法　Ｊ．本文用微电流恒流源，实现了对硅二极管　

ＰＮ结进行ｎＡ～ＩｎＡ级范围的正向电流一电压特　

性测量，分析了复合电流对伏安特性的影响．还　

对硅三极管构成的等效ＰＮ结进行了测量，通过　比较分析，解释了不直接用二极管测量玻尔兹曼　

常量的原因．　

２　原　理　

理想情况下，ＰＮ结的正向电流Ｉ　指载流子　

扩散电流，其数值随正向压降按指数规律变化，与　正向压降　存在如下近似关系式［６］：　

ＩＦ　ｘｐ（　），　（１）　

其中，ｑ为电子电荷，是为玻尔兹曼常量，Ｔ为绝对　

温度，，　为反向饱和电流，它是与ＰＮ结材料的禁　带宽度及温度有关，而与电压无关的系数．　

半导体物理理论指出，实际的ＰＮ结的正向　

电流，除了扩散电流外，还存在着电子和空穴在耗　尽层（空间电荷区）复合而形成的复合电流，　可