PN結(jié)
在一塊本征半導(dǎo)體中，摻以不同的雜質(zhì)，使其一邊成為Ｐ型，另一邊成為Ｎ型，在Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)的交界面處就形成了一個ＰＮ結(jié)。
ＰＮ結(jié)的形成
（1）當Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，由于交界面處存在載流子濃度的差異，這樣電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴散。但是，電子和空穴都是帶電的，它們擴散的結(jié)果就使Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)中原來的電中性條件破壞了。Ｐ區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動的負離子，Ｎ區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動的正離子。這些不能移動的帶電粒子通常稱為空間電荷，它們集中在Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，這就是我們所說的ＰＮ結(jié)，如圖1所示。
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（2）在這個區(qū)域內(nèi)，多數(shù)載流子或已擴散到對方，或被對方擴散過來的多數(shù)載流子(到了本區(qū)域后即成為少數(shù)載流子了)復(fù)合掉了，即多數(shù)載流子被消耗盡了，所以又稱此區(qū)域為耗盡層，它的電阻率很高，為高電阻區(qū)。
（3）Ｐ區(qū)一側(cè)呈現(xiàn)負電荷，Ｎ區(qū)一側(cè)呈現(xiàn)正電荷，因此空間電荷區(qū)出現(xiàn)了方向由Ｎ區(qū)指向Ｐ區(qū)的電場，由于這個電場是載流子擴散運動形成的，而不是外加電壓形成的，故稱為內(nèi)電場，如圖2所示。
（4）內(nèi)電場是由多子的擴散運動引起的，伴隨著它的建立將帶來兩種影響：一是內(nèi)電場將阻礙多子的擴散，二是P區(qū)和N區(qū)的少子一旦靠近PN結(jié)，便在內(nèi)電場的作用下漂移到對方，使空間電荷區(qū)變窄。
（5）因此，擴散運動使空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場增強，有利于少子的漂移而不利于多子的擴散；而漂移運動使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場減弱，有利于多子的擴散而不利于少子的漂移。當擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡時，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即ＰＮ結(jié)處于動態(tài)平衡。ＰＮ結(jié)的寬度一般為0.5um。
ＰＮ結(jié)的單向?qū)щ娦?br>PN結(jié)在未加外加電壓時，擴散運動與漂移運動處于動態(tài)平衡，通過PN結(jié)的電流為零。
（1）外加正向電壓（正偏）
當電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)時，稱為給pN結(jié)加正向電壓或正向偏置，如圖3所示。由于PN結(jié)是高阻區(qū)，而P區(qū)和N區(qū)的電阻很小，所以正向電壓幾乎全部加在PN結(jié)兩端。在PN結(jié)上產(chǎn)生一個外電場，其方向與內(nèi)電場相反，在它的推動下，N區(qū)的電子要向左邊擴散，并與原來空間電荷區(qū)的正離子中和，使空間電荷區(qū)變窄。同樣，P區(qū)的空穴也要向右邊擴散，并與原來空間電荷區(qū)的負離子中和，使空間電荷區(qū)變窄。結(jié)果使內(nèi)電場減弱，破壞了PN結(jié)原有的動態(tài)平衡。于是擴散運動超過了漂移運動，擴散又繼續(xù)進行。與此同時，電源不斷向P區(qū)補充正電荷，向N區(qū)補充負電荷，結(jié)果在電路中形成了較大的正向電流IF。而且IF 隨著正向電壓的增大而增大。
（2）外加反向電壓（反偏）
當電源正極接N區(qū)、負極接P區(qū)時，稱為給PN結(jié)加反向電壓或反向偏置。反向電壓產(chǎn)生的外加電場的方向與內(nèi)電場的方向相同，使PN結(jié)內(nèi)電場加強，它把P區(qū)的多子（空穴）和N區(qū)的多子（自由電子）從PN結(jié)附近拉走，使PN結(jié)進一步加寬，PN結(jié)的電阻增大，打破了PN結(jié)原來的平衡，在電場作用下的漂移運動大于擴散運動。這時通過PN結(jié)的電流，主要是少子形成的漂移電流，稱為反向電流IR。由于在常溫下，少數(shù)載流子的數(shù)量不多，故反向電流很小，而且當外加電壓在一定范圍內(nèi)變化時，它幾乎不隨外加電壓的變化而變化，因此反向電流又稱為反向飽和電流。當反向電流可以忽略時，就可認為PN結(jié)處于截止狀態(tài)。值得注意的是，由于本征激發(fā)隨溫度的升高而加劇，導(dǎo)致電子一空穴對增多，因而反向電流將隨溫度的升高而成倍增長。反向電流是造成電路噪聲的主要原因之一，因此，在設(shè)計電路時，必須考慮溫度補償問題。
綜上所述，PN結(jié)正偏時，正向電流較大，相當于PN結(jié)導(dǎo)通，反偏時，反向電流很小，相當于PN結(jié)截止。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?
PN結(jié)的伏安特性
伏安特性曲線：加在PN結(jié)兩端的電壓和流過二極管的電流之間的關(guān)系曲線稱為伏安特性曲線，如圖4所示。u>0的部分稱為正向特性，u<0的部分稱為反向特性。它直觀形象地表示了PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?
式中 iD——通過PN結(jié)的電流
vD——PN結(jié)兩端的外加電壓
VT——溫度的電壓當量，VT = kT/q = T/11600 = 0.026V，其中k為波耳茲曼常數(shù)（1.38×10–23J/K），T為熱力學溫度，即絕對溫度（300K），q為電子電荷（1.6×10–19C）。在常溫下，VT ≈26mV。
e——自然對數(shù)的底
Is——反向飽和電流，對于分立器件，其典型值為10-8~10-14A的范圍內(nèi)。集成電路中二極管PN結(jié)，其Is值則更小.
由此可看出PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?
PN結(jié)的擊穿特性
當PN結(jié)上加的反向電壓增大到一定數(shù)值時，反向電流突然劇增，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。PN結(jié)出現(xiàn)擊穿時的反向電壓稱為反向擊穿電壓，用VB表示。反向擊穿可分為雪崩擊穿和齊納擊穿兩類。
1）雪崩擊穿
當反向電壓較高時，結(jié)內(nèi)電場很強，使得在結(jié)內(nèi)作漂移運動的少數(shù)載流子獲得很大的動能。當它與結(jié)內(nèi)原子發(fā)生直接碰撞時，將原子電離，產(chǎn)生新的"電子一空穴對"。這些新的"電子一空穴對"，又被強電場加速再去碰撞其它原子，產(chǎn)生更多的"電子一空穴對"。如此鏈鎖反應(yīng)，使結(jié)內(nèi)載流子數(shù)目劇增，并在反向電壓作用下作漂移運動，形成很大的反向電流。這種擊穿稱為雪崩擊穿。顯然雪崩擊穿的物理本質(zhì)是碰撞電離。
（2）齊納擊穿
齊納擊穿通常發(fā)生在摻雜濃度很高的PN結(jié)內(nèi)。由于摻雜濃度很高，PN結(jié)很窄，這樣即使施加較小的反向電壓（5V以下），結(jié)層中的電場卻很強（可達 左右）。在強電場作用下，會強行促使PN結(jié)內(nèi)原子的價電子從共價鍵中拉出來，形成"電子一空穴對"，從而產(chǎn)生大量的載流子。它們在反向電壓的作用下，形成很大的反向電流，出現(xiàn)了擊穿。顯然，齊納擊穿的物理本質(zhì)是場致電離。采取適當?shù)膿诫s工藝，將硅PN結(jié)的雪崩擊穿電壓可控制在8～1000V。而齊納擊穿電壓低于5V。在5～8V之間兩種擊穿可能同時發(fā)生。
PN結(jié)的電容效應(yīng)
PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。一是勢壘電容CB，二是擴散電容CD。
(1)勢壘電容CB
勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電容的示意圖見圖5。
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(2)擴散電容CD
擴散電容是由多子擴散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。反之，由P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴散電容的示意圖如圖01.10所示。
當外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。