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在PN结上施加正向电压(P区接电源正极，N区接电源负极)
，也叫正向偏置，如图13(a)所示。外加的正向电场与内电场叠加，共同作用于空间电荷区，破坏了原有的平
衡状态，使内电场的作用减弱，P区和N区的多子在外电场作用下被推向PN结，将一部分杂质
离子中和，使空间电荷量减少，阻挡层变窄，有利于多子的扩散但不利于少子的漂移。所以， 在外加正
向电压时，P区的空穴和N区的电子源源不断地向对方扩散，形成较大的扩散电流。此时，PN
结的内电场并未消失，所以两侧的少子依然存在漂移运动，形成的漂移电流与扩散电流的 方向相反，但因其数值很少，无法与扩散电流相抗衡，可忽略不计。
在PN结上施加反向电压(P区接电源负极，N区接电源正极)，也叫反向偏置
。此时，外电场与内电场的方向一致，共同作用使局部场强增大，阻挡层加宽，结果阻止了多
子的扩散，促进了少子的漂移，因而形成了PN结的反向电流，如图13(b)所示。在半导体 内
少子的浓度很低，能够参与漂移的少子数量有限，所以即使外加的反向电压较大，通过PN结
的电流也很小，并且在外加电压增大时，电流保持基本不变，所以把该电流称为反 向饱和电流IS。
从上面的讨论可知，PN结加正向电压时，有较大的正向电流通过，称为正向导通； 而
图13PN结的单向导电性示意图
PN结加
反向电压时，反向电流很小，称为反向截止。即PN结只允许一个方向的电流 顺利通过，这就是PN结的单向导电性。
由理论分析得知，PN结两端的电压U和流过PN结的电流I之间可以用下式来表示：
I=IS(eU/UT-1)(11)
式中，U为PN结外加电压，参考方向由P区指向N区； I为流经PN结的电流，与U关联方向； IS为PN结反向饱和电流； UT=kT/q称为温度电压当量，其中k为波耳兹曼常数，T是热力学温标，
q为电子的电量，在室温下(T=300K)，UT≈26mV。
对式(11)进行简单的分析就可得出PN结正向特性和反向特性的大致情况。PN 结
在正向偏置时，只要U大于UT几倍以上(如U=5UT)，式(11)就可简化 为
I=ISeU/UT(12)
即电压U大于UT一定的数值后，电流I与电压U之间按指数规律变化 。PN结反向偏置时，只要｜U｜大于UT几倍，式(11)可化简为
I≈-IS(13)
这时，PN结的反向电流就是反向饱和电流，而且与反向电压无关。根据式(11)可以画出PN结的伏安特性曲线，如图13(c)所示。
当PN结的反向电压加大，达到某一数值时，PN结的电流不再保持 IS，而是迅速变 大
，这时只要电压U的数值稍有增加，电流就增加很多，这种情况叫做反向击穿。发生击 穿时的反向电压UBR称为反向击穿电压。产生反向击穿的基本原因 是，在强电场的作用下，PN结内的自由电子
和空穴大量增加，使反向电流突然增大，PN结内载流子数目瞬时激增，基于以下两种机 制：
① 当反向电压足够大，PN结内的电场强度很高，参加漂移的电子在很短的路程内就获得了较
高的能量，运动速度很高。当它们与晶体中的原子碰撞时，能量的传递可以使原子中的价电 子受激发而脱离共价键的束缚，产生新的电子空穴对。新的电子又被加速，去碰撞其他的原子，再产生其他新的电子空穴对。如此形成了连锁反应，使PN结中的载流子激增，反向 电流急剧增大，常称为雪崩击穿。
② 反向电压较大时，对于掺杂浓度高的半导体，使本来就很薄的PN结中造成了很高的电场强 度
(可达到2×106V/cm以上的场强)。它能够强迫价电子挣脱共价
键的束缚，把价电子从共价键中拉出来，PN结中骤增了大量的电子空穴对，形成很大的反 向电流，这种现象称为齐纳击穿。
PN结反向击穿后，只要反向电压和反向电流的乘积限定在一定范围内，一旦反向电压的数 值
小于击穿电压UBR，PN结就会恢复正常，这属于电击穿。如果对反
向电流的大小不能加以限制，PN结的功耗太大，其热量不能及时得到散发，PN结的温度就会 上升直至过热而烧坏PN结。这种情况叫做热击穿。电击穿是可利用的，而 热击穿是应该避免的。
(2) 电容效应
PN结外加正向电压增大时，P区和N区的多数载流子更多地涌
进空间电荷区，与已存在的正、负离子相中和，结果使空间电荷区的电荷量减少； 相反，PN 结外加电压减小时，空间电荷区加宽，电荷量增多。也就是说，外加电压的变化，将引起P N结空间电荷量的改变，这与电压的改变可以引起电容器极板上电荷量的改变相类似，这就 是PN结的电容效应。它发生在空间电荷区内，这种电荷量随外加电压的变化所形成的电容效应称为势垒电容。势垒电容通常用CT表示。CT不是一个常数，它随外加电压的变化而变化。利用势垒电容可以制成变容二极管。
PN结正向偏置时，P区和N区的多子向对方扩散。载流子通过PN结后，在电源的作用下，P区
到达N区的空穴要继续向电源的负极移动，空穴在N区形成一定的浓度分布，PN结界面附近浓
度最高，沿空穴运动方向浓度渐渐降低，相当于在PN结N区界面外侧有空穴的积累，即有正 电荷的聚集。同样，N区到达P区的电子也在P区界面外侧有负电荷(电子)的聚集。若正向电
压增大，参与扩散的载流子数增多，在PN结外侧所积累的载流子也多，电荷量增大； 若正 向电压减小，扩散到对方的载流子数目就少，相应地在PN结外侧的电荷量减少。这可以看成 是在外界电压的增大或减小时，电容器的2个极板上的电荷也在增多或减少，即相当于电容 在充放电。这种PN结的电容效应是由于多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的，称为扩散电
容，通常用CD表示。
PN结总的电容效应包括势垒电容和扩散电容两部分，即Cj=CT+CD。一般地， PN结正向偏置时，扩散电容起
主要作用， 即Cj≈CD； 而PN结反向偏置时，势垒电容起主要作用，即Cj≈CT。它们的值都很小，通常为 几皮法至几十皮法。
1.2半导体二极管
1.2.1二极管的基本结构
半导体二极管又称晶体二极管，简称二极管，它是由PN结焊接上引线并用管壳封装制成的，按其结构不同可以分为点接 触型和面接触型两类。
点接触型二极管是用一根细金属丝和一块半导体晶片的表面接触，采用特殊工艺在接触 点形成PN结，再做出引线，外加管壳密封而成，如图14(a)所示。这种结构的二极管PN
结 面
积很小，结电容也很小，但不能承受较大的电流。主要适用于高频检波、小电流整流和作为 小功率开关器件。
面接触型二极管是用合金法或扩散法在半导体材料上做成的PN结，其结构如图14(b)所示 。
这种结构的PN结的结面积大，可以承受较大的正向电流，但结电容也大，所以工作频率低。 适用于低频大功率整流。
图14二极管结构及伏安特性示意图
1.2.2二极管的伏安特性
由于二极管的主要结构是PN结，所以它的伏安特性与PN结的伏安特性相近。在正向电压较小
时，外电场的作用尚不能影响内电场的强度，多数载流子的扩散没有明显的增强，二极管基 本上没有电流。当正向电压大到一定程度时，正向电流才开始较快增加，对应的正向电压叫 做阈值电压(或死区电压)UV。在室温下，硅二极管
的UV≈0.5V，锗二极管的UV≈0.2V。因为二极管的P区和N区存在着体电阻、引线电阻和电极的接触电阻，使二极管外加的正向电压并不能完全作用在PN结上，对于同样数
值的外加电压，二极管的正向电流比PN结的电流小。电流越大，差别越明显。二极管的伏安特性曲
线如图14(c)所示。但一般在定量计算时，二极管的伏安特性仍可采用PN结的方程式(11 )。
二极管所加的反向电压小于反向击穿电压UBR时，反向电流基本上等于PN结的 反向饱和电流。硅二极管的反向电流远小于锗二极管的反向电流。
温度的变化对二极管的伏安特性有一定影响。可以证明，当温度增加1℃时，正向电压降低 2～2.5mV，即二极管的正向电压有负温度系数。由于温度升高使少数载流子数目增加， 所以反向电流随温度升高而增大。在室温附近，温度每升高10℃，反向电流约增大1倍。
1.2.3二极管的主要参数
选择电路器件时，除了掌握它的特性以外，还要了解器件具体的性能指标和运用的极限条件 。二极管的参数是定量描述二极管性能的质量指标，只有正确理解这些参数的意义，才能正确、合理地选择和使用二极管。
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