电工问题：为什么说PN结具有单向导电性？

PN结的单向导电性是它本身的特性

这就好比是辣椒是辣的，白糖是甜的

下面的内容是我给电工学员讲课的时候用的一段课件内容

问题26：二极管的工作原理是什么？为什么它具有单向导通性？

在分析二极管的原理之前，我们先要了解三个概念

一：本征半导体，如图所示

原子最外层的电子为价电子，硅原子的外层电子壳层中有4个价电子，在硅晶体中每个原子有4个相邻原子，硅原子和每一个相邻硅原子共享2个价电子，从而形成稳定的8原子结构。硅原子的外层的电子受原子核的束缚比较小，在光照或温度作用下得到足够的能量时，会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来位置留出一个空穴。电子带负电，空穴带正电，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。

在常温下，纯净的硅晶体中电子和空穴的数目极少，导电性极差。称这种纯净晶体为本征半导体。

二：P型半导体和N型半导体，如图所示

在纯净的硅晶体中掺入少量的杂质，即5价元素磷（或砷，锑等），由于磷原子具有5个价电子，所以1个磷原子同相邻的4个硅原子结成共价键时，还多余1个价电子，这个价电子很容易挣脱磷原子核的吸引而变成自由电子。掺入了5价元素的硅晶体变成了电子导电类型的半导体，也称为N型半导体。在N型半导体材料中，空穴数目很少，称为少数载流子，而电子数目很多，称为多数载流子。

同样如果在纯净的硅晶体中掺入少量的杂质，即3价元素，如硼（或铝、镓或铟等），这些3价原子的最外层只有3个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价键时，还缺少1个价电子，因而在一个共价键上要出现一个空穴，因此掺入3价杂质的4价半导体，也称为P型半导体。对于P型半导体，空穴是多数载流子，而电子为少数载流子。

三：PN结，如图所示

若将P型半导体和N型半导体两者紧密结合，联成一体时，由导电类型相反的两块半导体之间的过渡区域，称为 PN 结。在PN 结两边，由于在P型区内，空穴很多，电子很少；而在N型区内，则电子很多，空穴很少。由于交界面两边，电子和空穴的浓度不相等，因此会产生多数载流子的扩散运动。

扩散运动是基于电子相互排斥和相互碰撞理论建立的，同层次轨道上的电子会自动从电子相对集中的地方流向电子稀少的地方，这一流向不需要外界的电场作用。扩散运动的动力应与同层次轨道中载流子浓度的变化率（也叫浓度梯度）成正比。

P型半导体和N型半导体两者刚靠在一起的瞬间，由于N型半导体的多数载流子自由电子浓度远大于P型半导体内自由电子浓度，这些电子将向P型半导体扩散。同样由于P型半导体的多数载流子空穴浓度远大于N型半导体内空穴浓度，这些空穴将向N型半导体扩散。

扩散的过程为：在靠近交界面附近的N区中，电子越过交界面与P区的空穴复合，使P区出现一批带负电荷的硼元素的离子。同时在N型区内，由于跑掉了一批电子而呈现带正电荷的磷元素离子。

同样可解释为：在靠近交界面附近的P区中，多数载流子空穴越过交界面与N区的电子复合，从而使N区出现一批带正电荷的磷元素离子。同时在P型区内，由于跑掉了一批空穴而呈现带负电荷的硼元素的离子。

扩散的结果是在交界面的一边形成带正电荷的正离子区，而交界面另一边形成带负电荷的负离子区，称为空间电荷区，这就是PN 结，是一层很薄的区域。

在PN 结内，由于两边分别积聚了负电荷和正电荷，会产生一个由正电荷指向负电荷的电场，即由N区指向P区的电场，称为内建电场（或称势垒电场)。

由于势垒的存在就阻止了其他载流子的进一步迁移，这就形成了一个PN结处的稳定状态

二极管就是在P型半导体和N半导体上各引出一个电极再在半导体的外层包裹上绝缘层构成的。

我们试想一下，如果在二极管的两端施加直流电压，且N接正极，P接负极，这时就会在PN结处形成一个外加电场，电场的方向由N指向P，这与稳态下的内建电场方向相同，在两个电场的共同作用下，N型半导体内的负电载流子会被大量的吸引至电源正极附近，而P型半导体内的正电载流子会被大量的吸引至电源负极附近，这就相当于增强了势垒，增加了PN结的厚度，这时电流很难流过PN结

相反的，我们将N结负极，P接正极，此时外加电场的方向与内建电场的方向相反，二者就会互相抵消，如果外加电场的强度超过了内建电场，内部载流子就会突破势垒的阻碍，N区内的负电载流子大量流入电源正极，P区内的正电载流子大量流入负极，这时就形成了电流

这就是二极管单向导通的原理

如果在二极管两端施加足够大的反向电压，外加电场就会破坏半导体材料内的分子结构（和前面分析电容器结构时的扯断化学键的效应是一样的），发生反向击穿现象，这时二极管也就基本报废了

由于PN结内势垒的存在，二极管也不是说随便施加一个正向电压就能导通，外加电场必须要克服势垒才能导通，因此二极管在正向导通时都有一个固定压降，这个电压也叫二极管的死区电压，当外加电压小于死区电压时二极管无论正反向都无法导通。

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空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性。
PN结：一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时 ，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称。PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的 PN 结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法。
在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的 。N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区 。P 型半导体一边的空间电荷是负离子 ，N 型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散 ，达到平衡。
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，甚至消失，电流可以顺利通过。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。这就是PN结的单向导性。
PN结加反向电压时 ，空间电荷区变宽 ， 区中电场增强。反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。基本的击穿机构有两种，即隧道击穿和雪崩击穿。
PN结加反向电压时，空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变。
根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。如利用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管，利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管；利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管；利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管。使半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管；利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器；利用光生伏特效应可制成太阳电池。此外，利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子功能 。PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代电子技术的基础。