1.2.2 PN结的单向导电性

1.PN结外加正向电压

将PN结的P区接电源正极，N区接电源负极，称为PN结外加正向电压或正向偏置，如图1.2.3所示。PN结正向偏置时，外电场与内电场方向相反，从而减弱了耗尽层的内电场，破坏了PN结的动态平衡，由于耗尽层的宽度减小，使得多子扩散运动大大增强，而少子漂移运动大大减弱。因此，通过外加正向电压的PN结的电流，扩散电流占主导地位，在外电路中形成一个流入P区的正向电流，用IF表示。

应该强调的是，PN结在正向偏置时，虽然可以形成较大的正向电流，但这个正向电流的维持，必须依赖于一个足以削弱PN结并帮助多子通过PN结的最小外加电压（称为PN结的死区电压或开启电压），一旦外加电压的值小于死区电压，就不能形成正向电流IF。也就是说，PN结正向电流的形成不仅对PN结的偏置电压有极性的要求（正偏），还有大小的要求（必须高于死区电压）；而当正向电流形成后，在一定的外加电压下（不考虑温度变化），其电流大小只与多子浓度（掺杂工艺）有关。

在正常工作范围内，PN结上外加的正向电压只要稍有增加，就能引起正向电流显著增加，因此，正向PN结表现为一个很小的电阻。

2.PN结外加反向电压

将PN结的P区接电源负极，N区接电源正极，称为PN结外加反向电压或反向偏置，如图1.2.4所示。PN结反向偏置时，外电场与内电场方向相同，增强了耗尽层的内电场，耗尽层变宽，阻止了多子的扩散运动，使扩散电流迅速减小，同时促进了漂移运动。由于形成漂移运动的是两侧区域的少子，且少子浓度很低，所以形成的漂移电流很小。在外电路中形成流入N区的电流，称为反向饱和电流，用IS表示。当反向电压增大时，两侧边界处少子的数目并无多大变化，因此，IS几乎不随外加电压的增大而增大，近似为定值。

在PN结反向偏置时，由于IS很小，PN结表现为一个很大的电阻。同时，IS是少子运动产生的，因此受温度的影响很大。

同样应该强调的是，PN结在反向偏置时，形成的反向电流虽然较小，但这个反向电流的形成，却只需要外加电压令PN结反偏即可，而与反向电压的大小无关。这是因为少子反向漂移通过PN结时，内电场的方向和少子通过PN结的方向一致，也就是说，此时的内电场对于少子的反向通过不仅不会有阻碍作用，还会有帮助作用。简言之，PN结反向电流的形成只对PN结的偏置电压有极性的要求，而没有大小的要求；反向电流形成后，其大小只与少子浓度有关。

综上所述，PN结正向偏置时，电流很大，并随外加电压的变化而显著变化；PN结反向偏置时，电流极小，且不随外加电压变化。这就是PN结的单向导电性。

3.PN结的伏安特性

理论分析证明，流过PN结的电流i和外加电压u之间的关系可以近似地表示为

式（1.2.1）也称为PN结电流方程，其中反向饱和电流IS的大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关，UT称为热电压或温度的电压当量，由下式计算：

式中，k为玻尔兹曼常数；q为单位电子电荷量；T为热力学温度。在常温（T=300K）下，UT=26mV。应用式（1.2.1）时要注意u和i的规定正方向：u的规定正方向为P区一端为“正”，N区一端为“负”；P区流向N区的方向为电流i的正方向。

由式（1.2.1）可知，当u=0时，i=0。

当u＞0且u≫UT时，因 ≫1，故有

所以，当PN结正向偏置时，i和u基本上呈指数规律变化。

当u＜0且|u|≫UT时，因 ≪1，则有

即i是一个与反向电压u无关的常数，PN结反向截止。由式（1.2.1）可画出PN结的伏安特性曲线，如图1.2.5所示。

PN结的伏安特性对温度变化很敏感，根据1.2.1节中温度对PN结厚度影响的分析可知：当温度升高时，PN结变薄，正向导通性增强，反向截止性削弱。所以，在PN结的伏安特性曲线上表现为当温度升高时，正向特性左移，反向特性下移，如图1.2.5中虚线所示。也就是说，在相同的偏压下，温度越高，电流越大。具体变化规律是：保持正向电流不变时，温度每升高1℃，结电压u减小约2～2.5mV。温度每升高10℃，反向饱和电流IS增大一倍。

当温度升高到一定程度时，由本征激发产生的少子浓度有可能超过掺杂浓度，使杂质半导体变得与本征半导体一样，这时PN结就不存在了。因此，为了保证PN结正常工作，它的最高工作温度有一个限制，对硅材料为150～200℃，对锗材料为75～100℃。