核心结论 pn 结最核心的特性是单向导电性,也就是只允许电流从 p 区流向 n 区,反向施加电压时几乎没有电流通过,除此之外 pn 结还具备势垒电容 扩散电容 击穿特性 温度敏感特性,它是二极管 三极管 稳压管等半导体器件最基础的结构单元,由 p 型半导体和 n 型半导体相互结合形成,交界面会形成耗尽层也就是空间电荷区,单向导电这个特性是所有半导体分立器件工作的基础,很多电子电路里整流 检波 开关功能,本质都是利用 pn 结的单向导电特性实现,学习半导体电路的时候,理解 pn 结特性是掌握二极管和三极管工作原理的前提,不能只记住单向导电,还要了解正向导通 反向截止 反向击穿这些附属特性,才能完整理解 pn 结的全部工作表现。
形成基础与内部原理
p 型半导体里面多数载流子是空穴,n 型半导体里面多数载流子是自由电子,两种半导体结合之后,交界面位置载流子会发生扩散运动,p 区空穴向 n 区移动,n 区电子向 p 区移动,移动之后在交界面留下不能移动的带电离子,形成空间电荷区也就是耗尽层,同时产生内建电场,内建电场会阻碍载流子继续扩散,最终达到动态平衡,这个平衡状态下的结构就是 pn 结。
正向偏置就是外部电源正极接 p 区,负极接 n 区,外部电场方向和内建电场方向相反,内建势垒被削弱,耗尽层变窄,载流子可以顺利穿过交界面,形成明显正向电流。反向偏置就是外部电源正极接 n 区,负极接 p 区,外部电场和内建电场方向相同,势垒升高,耗尽层变宽,多数载流子很难越过交界面,只有极少少数载流子形成微小反向漏电流。
各类特性对照表
| 特性名称 | 工作表现 | 触发条件 | 实际作用 |
|---|---|---|---|
| 单向导电性 | 正向导通反向近似截止 | 外加正向或者反向电压 | 整流 检波 电子开关 |
| 势垒电容 | 耗尽层宽度随电压变化产生电容效应 | 反向电压改变耗尽层厚度 | 高频电路电容效应 |
| 扩散电容 | 正向载流子积累产生电容效应 | 正向偏置大电流 | 影响器件高频响应 |
| 反向击穿 | 反向电压达到临界值电流急剧增大 | 反向电压超过击穿电压 | 稳压管稳压应用 |
| 温度特性 | 正向压降随温度升高下降反向漏电流随温度升高变大 | 环境温度变化 | 器件温度补偿设计 |
特性判断实操步骤
第一步 区分偏置方向,确认外部电源正极连接 p 区还是 n 区,正极接 p 区属于正偏,正极接 n 区属于反偏。
第二步 正偏状态下,电压超过开启电压之后,pn 结开始导通,硅管开启电压大约 0.7 伏,锗管大约 0.2 伏,电压低于开启电压时电流仍然很小,没有完全导通。
第三步 反偏状态下,正常电压范围内只有微小反向饱和漏电流,此时 pn 结表现为截止,这个就是单向导电里反向阻断的表现。
第四步 反向电压持续升高,到达击穿电压之后,pn 结出现反向击穿,这里要区分电击穿和热击穿,电击穿是可逆的,降低电压可以恢复,热击穿会永久损坏 pn 结。
第五步 高频场景下,不能只看单向导电,还要同时考虑 pn 结的电容特性,电容会让高频信号出现旁路,破坏单向导电效果,所以高频二极管会做小结面积降低电容。
补充应用要点
普通二极管就是单个 pn 结,直接利用 pn 结单向导电特性,三极管内部包含两个串联的 pn 结,依靠两个 pn 结偏置配合实现电流放大。稳压管是特殊掺杂的 pn 结,专门工作在反向击穿区,利用击穿之后电压基本稳定的特性实现稳压。pn 结的温度特性是电路设计重点,温度升高正向压降会下降,大功率器件工作发热之后参数漂移,设计的时候经常增加温度补偿电路。如果反向电压无限加大,热击穿会造成 pn 结永久损坏,所以实际电路必须串联限流元件,限制击穿之后的电流大小。
【常见问题】
问题 1 pn 结具有什么的特性是所有二极管的基础吗
回答 1 是的,pn 结具有单向导电这个核心特性,普通二极管就是单只 pn 结结构,二极管整流 检波 开关功能,全部依靠 pn 结具有的单向导电特性实现。
问题 2 pn 结具有什么的特性里面反向击穿是永久损坏吗
回答 2 不一定,pn 结具有反向击穿特性,电击穿属于可逆击穿,只要限制电流就可以恢复,但是如果电流过大引发热击穿,pn 结就会永久损坏。
问题 3 高频电路里 pn 结具有什么的特性会受到影响
回答 3 高频电路当中,pn 结具有的势垒电容和扩散电容特性会显现,电容效应会削弱 pn 结的单向导电特性,所以高频器件需要减小结电容。
问题 4 温度变化会不会改变 pn 结具有什么的特性
回答 4 会改变,pn 结具有温度敏感特性,温度上升正向导通压降降低,反向漏电流增大,pn 结的单向导电相关参数会随温度出现漂移。
【免责申明】
本文内容仅作为 pn 结特性半导体基础知识科普,不同掺杂工艺的 pn 结击穿电压开启电压参数存在差异,器件实际参数请以原厂手册为准,本文不承担电路实验器件损坏相关损失。


