文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了PN結的原理、結構和特性。

PN 結是構成二極管、雙極型晶體管、MOS 晶體管等各類半導體器件的核心結構，其本質是 p 型半導體與 n 型半導體接觸后，在交界面形成的特殊功能薄層。PN 結的形成主要通過兩種方式：一是將獨立的 p 型半導體與 n 型半導體直接結合；二是利用 “雜質補償作用”—— 在 p 型半導體局部區域摻入高濃度五價雜質（如磷），使該區域轉變為 n 型半導體（形成反型層），或在 n 型半導體局部摻入高濃度三價雜質（如硼），使其轉變為 p 型半導體，兩種方式均可在交界面形成穩定的 PN 結。

PN 結的形成機制與載流子運動平衡

當 p 型半導體與 n 型半導體初始接觸時，由于兩側載流子濃度存在顯著差異，會引發一系列物理過程，最終形成穩定的 PN 結結構，具體過程如下：

載流子的擴散運動

如圖 1 所示，p 型半導體中（簡稱 p 區）的多數載流子（多子）是空穴，濃度遠高于 n 型半導體（簡稱 n 區）；而 n 區的多子是自由電子，濃度遠高于 p 區。根據 “粒子從高濃度向低濃度擴散” 的規律，p 區的空穴會向 n 區擴散（運動方向從左向右），n 區的自由電子會向 p 區擴散（運動方向從右向左）。

耗盡層（空間電荷區）的形成

當空穴與自由電子在交界面相遇時，會發生 “復合” 現象（即電子填充空穴，兩者均失去導電能力），導致交界面處的載流子濃度大幅降低，形成阻值極高的 “高阻區”，也稱為耗盡層、勢壘區或空間電荷區。同時，復合過程會使交界面兩側留下無法移動的雜質離子：n 區一側因失去電子，留下帶正電的雜質離子（如磷離子）；p 區一側因失去空穴，留下帶負電的雜質離子（如硼離子），這些離子共同構成了 “內建電場”。

擴散與漂移的動態平衡

內建電場的方向由 n 區的正離子指向 p 區的負離子，其作用有兩點：一是阻礙多子的進一步擴散（與擴散運動方向相反）；二是推動少子的 “漂移運動”—— 將 n 區的少數載流子（少子，為空穴）推向 p 區，將 p 區的少子（為電子）推向 n 區（漂移運動方向與內建電場方向一致）。最終，擴散運動（多子遷移）與漂移運動（少子遷移）的速率達到相等，形成動態平衡，此時交界面處的空間電荷區厚度與內建電場強度均保持穩定，PN 結正式形成。

PN 結的偏置特性（正向導通與反向截止）

當在 PN 結兩端施加外部電壓（即 “偏置電壓”）時，會打破擴散與漂移的動態平衡，使 PN 結呈現出截然不同的導電特性，具體分為正向偏置與反向偏置兩種狀態：

1. 正向偏置（正偏）——PN 結導通

正向偏置的定義是：將電源正極連接 p 區，負極連接 n 區（如圖 2 (a) 所示）。此時，外加電場的方向與內建電場方向相反，會顯著削弱內建電場的強度，導致空間電荷區厚度變薄。內建電場的削弱使多子的擴散運動阻力減小，擴散運動強度遠超漂移運動，形成以多子為主導的 “正向電流”。

正向偏置時，PN 結呈現低電阻特性（正向導通），具體表現為：①正向壓降很小（通常硅材料 PN 結正向壓降約 0.7V，鍺材料約 0.2V）；②正向電流隨外加電壓的增加呈指數級增長 —— 當電壓超過 “死區電壓”（硅材料約 0.5V）后，電流會快速上升，此時 PN 結可穩定導通，實現電流的高效傳輸。

2. 反向偏置（反偏）——PN 結截止

反向偏置的定義是：將電源正極連接 n 區，負極連接 p 區（如圖 2 (b) 所示）。此時，外加電場的方向與內建電場方向一致，會進一步增強內建電場強度，導致空間電荷區厚度變寬。內建電場的增強使多子的擴散運動幾乎完全被抑制，此時導電主要依賴少子的漂移運動，形成 “反向電流”。

反向偏置時，PN 結呈現高電阻特性（反向截止），具體表現為：①反向電流極其微弱（通常為納安級），因為少子數量極少；②在一定反向電壓范圍內（未達到擊穿電壓），反向電流基本保持不變，稱為 “反向飽和電流”；③反向飽和電流對溫度敏感，隨溫度升高而顯著增加 —— 這是由于溫度升高會提供更多熱能，激發半導體內部產生更多本征載流子（少子數量增加），從而導致反向電流上升。

PN 結的核心應用與電容特性

1. 核心應用 —— 二極管的單向導電性

PN 結是二極管的核心結構：在 PN 結兩端引出電極引線并封裝管殼，即可制成二極管。二極管的本質是 PN 結，因此繼承了 PN 結 “正向導通、反向截止” 的特性，即 “單向導電性”—— 正向電壓下電流可順暢通過，反向電壓下幾乎無電流通過，這種特性使二極管可作為電路中的 “電子開關”，廣泛應用于整流、檢波、穩壓等場景。

2. PN 結的電容特性

PN 結在工作過程中還會表現出電容效應，根據成因不同可分為擴散電容與勢壘電容兩類：

擴散電容（Cd）：僅在 PN 結正向偏置時存在。正向偏置下，多子擴散到對方區域后，會在 PN 結邊界附近形成一定濃度梯度的載流子積累層（如 p 區的電子積累層、n 區的空穴積累層）。當外加正向電壓變化時，積累層中的電荷量會隨之變化，從而產生電容效應，稱為擴散電容。電壓變化頻率越高，擴散電容的影響越顯著。

勢壘電容（Cb）：在正向偏置與反向偏置下均存在?？臻g電荷區（勢壘區）可視為 “介質層”，兩側的雜質離子可視為 “極板”，構成類似平行板電容器的結構。當外加電壓變化時，空間電荷區的厚度會改變，導致極板上的電荷量（雜質離子數量）變化，從而產生電容效應，稱為勢壘電容。反向偏置時，空間電荷區較寬，勢壘電容較小；正向偏置時，空間電荷區較窄，勢壘電容較大。

PN 結的電容特性會影響其在高頻電路中的性能，例如高頻信號下電容效應會導致信號衰減或相位偏移，因此在高頻器件設計中需重點考慮并優化這一特性。