全面解析PN结二极管的伏安特性与工作原理

PN结二极管是构建各种电子电路的核心器件之一，其伏安特性不仅决定了它的导通与截止行为，还深刻影响着整流、限压、开关等功能的实现。

一、PN结的基础结构与电荷分布机制

P和N半导体通过扩散或外延生长形成PN结。当两种不同掺杂类型的材料碰撞时，载流子会在接触区域重新分布。电子从N区向P区扩散，与空穴复合，形成空穴贫化层。另一方面，空穴也向N区扩散，导致电子和空穴相互抵消，产生空间电荷区，从而形成内建电势。这一电势阻止了载流子的进一步扩散，使PN在未外加电压时处于电气平衡状态。

二、正向偏置与反向偏置下的行为差异

当PN结加上正向电压(P区和N区连接正极或负极)时，外电场减小了内建电势。这导致空间电荷区变窄，大多数载流子可以穿过势垒区。由于这一过程，电流迅速增加，指数关系表示为：

I = I? (e^(V / ηV?) - 1)

其中，I?为反向饱和电流，V为施加的正向电压，η为理想因子（通常取1至2之间），V?为热电压（约为26 mV 在室温下）。

当PN结加上反向偏压（P区接负极，N区接正极），电场增强内建势垒，空间电荷区扩大，导致几乎没有多数载流子能够穿越结区。此时，电流主要由少数载流子引起，且大小非常小，近似等于I?。在击穿电压之前，电流变化极微，近似保持恒定；而一旦击穿电压被超过，电流将急剧增加。

三、伏安特性曲线的关键点解读

PN结二极管的伏安特性曲线分为三个区域：

- 正向导通区：电压超过阈值（硅约0.6V，锗约0.2V）后，电流呈指数级上升；