PN結(jié)的原理

采用不同的摻雜工藝將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)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(yùn)動(dòng)，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在交界面形成電子-空穴復(fù)合對(duì)，于是形成空間電荷區(qū)/內(nèi)電場/耗盡層 。隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行 ，空間電荷區(qū)加寬 ，內(nèi)電場增強(qiáng)，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，正好阻止了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。

在電場的作用下，載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。當(dāng)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(yùn)動(dòng)，空穴(帶正電)從N區(qū)向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，而自由電子(帶負(fù)電)從P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。在無外電場和其它激發(fā)作用下，參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的多子數(shù)目等于參與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)目，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成PN結(jié)。此時(shí)，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(dāng)PN結(jié)兩端外加電壓時(shí)就會(huì)破壞內(nèi)部的平衡狀態(tài)，擴(kuò)散電流不再等于漂移電流，因而PN結(jié)將有電流流過。當(dāng)外加電壓極性不同時(shí)，PN結(jié)將表現(xiàn)出截然不同的導(dǎo)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(shí)導(dǎo)通

當(dāng)電源的正極接到PN結(jié)的P端，且電源的負(fù)極接到PN結(jié)的N端時(shí)，稱PN結(jié)外加正向電壓/偏置。此時(shí)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，漂移運(yùn)動(dòng)減弱。由于電源的作用，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)將源源不斷地進(jìn)行，從而形成正向電流，PN結(jié)導(dǎo)通。PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)的結(jié)壓降只有零點(diǎn)幾伏，因?yàn)閼?yīng)在它所在的回路中串聯(lián)一個(gè)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(shí)截止

當(dāng)電源的正極接到PN結(jié)的N端，且電源的負(fù)極接到PN結(jié)的P端時(shí)，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(qiáng)了內(nèi)電場，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，加劇漂移運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，形成反向電流(漂移電流)。因?yàn)樯僮拥臄?shù)目極少，即使所有的少子都參與漂移運(yùn)動(dòng)，反向電流也非常小，所以在近似分析中認(rèn)為，PN結(jié)外加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(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(guān)系為：

第一象限特性應(yīng)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(dǎo)體器件，給LED加正向偏壓就會(huì)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(qiáng)。

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(yīng)用：光電探測器

光電二極管是一種將光能與電能進(jìn)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(shí)，與普通二極管一樣，具有單向?qū)щ娦?。外加正向偏壓時(shí)，電流與端電壓成指數(shù)關(guān)系;外加反向偏壓時(shí)，反向電流稱為
暗電流 ，通常小于0.2
μA。在有光照時(shí)，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(shí)，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(shí)，與照度成線性關(guān)系 。

第四象限特性應(yīng)用：微型光電池

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