1.PN 结的形成

通过一定工艺，把一块晶体的两部分分别掺杂成P型和N 型半导体。由于P型半导体（P区）中的空穴浓度高于N 型半导体（N 区），而N 区的自由电子的浓度高于P区，这样在交界面的两侧，出现了载流子的“浓度差”。在这种浓度差的作用下，P区的多数载流子空穴、N 区的多数载流子自由电子要分别向对侧扩散，如图5-5a所示。

扩散的结果破坏了P区和N 区原来的电中性，由N 区扩散到P区的自由电子与空穴复合，使得自由电子和空穴同时消失，留下不能移动的带负电的离子；而从P 区扩散到N 区的空穴与自由电子复合，留下带正电的离子。于是在交界面的两侧分别形成不能移动的带负、正电荷的区域，称为空间电荷区，如图5-5b所示。这个空间电荷区就是PN 结。显然，空间电荷区的正、负离子是不能移动的。随着交界面两侧正负电荷区的出现，便形成一个电场，称为内建电场（或称内电场），它所产生的电位差U0（称为势垒电位差或接触电位差）使N 区的电位高于P区电位（一般小于1V）。

内电场将阻碍双方的多数载流子的互相扩散，而加速了双方少数载流子的移动，即推动了P区内少数载流子（自由电子）越过PN 结进入N 区；同时推动N区内少数载流子（空穴）越过PN 结进入P区（见图5-5b）。这种少数载流子在电场力作用下的定向运动称为漂移。

图5-5　PN 结的形成

在开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动占优势，随着空间电荷区逐渐加宽，内电场逐渐增强，于是在一定条件下（如温度恒定），多数载流子的扩散运动逐步减弱，而少数载流子的漂移则逐渐加强。最终，扩散与漂移运动达到动态平衡，此时PN 结处于相对稳定状态，空间电荷区的宽度基本稳定下来，其厚度一般为十几微米。在这个区域内，由于多数载流子已扩散到对方区域，且因复合而消耗掉，内部载流子数目极少，所以这个区域也称为耗尽层，又称阻挡层。

因为多数载流子的扩散电流与少数载流子漂移电流在动态平衡时，大小相等、方向相反，相互抵消，外部宏观不显示电流现象。即没有外加电场或其他激发因素作用时，PN 结没有电流通过。如图5-6所示为无外加电压的PN 结。

图5-6　无外加电压的PN 结(www.daowen.com)

2.PN 结的单向导电特性

（1）外加反向电压

电源的正极接N 区，负极接P区，PN 结为反向偏置，如图5-7a所示。这时外加电场方向与PN 结的内建电场方向相同，见图5-7a中箭头的方向，使空间电荷区增加，PN 结变宽，多数载流子的扩散运动被进一步阻碍，扩散电流明显减弱，几乎趋于零，而有利于少数载流子的漂移。但由于少数载流子的浓度只决定于温度，当外加反向电压不是过大，温度又不变时，少数载流子的浓度基本不变，因此漂移电流基本不变，其大小与反向电压基本无关，方向由N 区流入P区，常称为反向饱和电流，用ISR表示，其值较小。PN 结在反向偏置时，电阻率极大，电流很小，呈现不导通状态，通常称为PN 结反向截止。反偏电压几乎全部降落在PN 结上。

（2）外加正向电压

电源的正极接P区，负极接N 区，PN 结为正向偏置，如图5-7b所示。这时外电场方向与PN 结的内建电场方向相反，PN 结空间电荷区变窄，有利于多数载流子扩散，于是多数载流子的扩散电流大增，远远超过少数载流子的漂移电流。通过PN 结的电流主要是扩散电流IF，该电流随着外加正向电压的增加而显著增加，电流方向由P区流向N 区。此时，PN 结电阻率很小，称作PN 结正向导通。

图5-7　外加电压的PN 结

由上述分析可知，PN 结正向偏置则导通，流过较大的正向电流；PN 结反向偏置则截止，反向电流很小，这就是PN 结的单向导电特性。

PN 结是构成各种半导体元件的核心，是现代电子技术的基础。