二極管的核心是PN結(jié)。因此二極管的單向?qū)щ娦允怯蒔N結(jié)的特性說決定的。在P型和N型半導(dǎo)體的交界面附近，由于N區(qū)的自由電子濃度大，于是帶負(fù)電荷的自由電子會由N區(qū)向電子濃度低的P區(qū)擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果使PN結(jié)中靠P區(qū)一側(cè)帶負(fù)電，靠N區(qū)一側(cè)帶正電，形成由N區(qū)指向P區(qū)的電場。即PN結(jié)內(nèi)電場。內(nèi)電場將阻礙多數(shù)載流子的繼續(xù)擴(kuò)散，又稱為阻檔層。

　?。?）PN結(jié)加上正向電壓的情況 將PN結(jié)的P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極，此時(shí)外加電壓對PN結(jié)產(chǎn)生的電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，消弱了PN結(jié)內(nèi)電場，使得多數(shù)載流子能順利通過PN結(jié)形成正向電流，并隨著外加電壓的升高而迅速增大，即PN結(jié)加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

　?。?）PN結(jié) 加上反向電壓的情況 將PN結(jié)的P區(qū)接電源負(fù)極，N區(qū)接電源正極，此時(shí)外加電壓對PN結(jié)產(chǎn)生的電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強(qiáng)了PN結(jié)內(nèi)電場，多數(shù)載流子在電場力的作用下難以通過PN結(jié)反向電流非常微小，即PN結(jié)加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)。

　　半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

　　半導(dǎo)體以其導(dǎo)電性能介乎于導(dǎo)體和絕緣體之間而得名。如硅、鍺、硒以及大多數(shù)金屬氧化物和硫化物都是半導(dǎo)體。

　　金屬導(dǎo)體依靠自由電子導(dǎo)電。絕緣體原子最外層的電子被原子核束縛得很緊，所以絕緣體中自由電子極少，不易導(dǎo)電。而半導(dǎo)體原子最外層的電子處于半自由狀態(tài)。以常用的半導(dǎo)體材料硅原子結(jié)構(gòu)為例，它有四個(gè)價(jià)電子，完全純凈的硅晶體結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)原子與相鄰的四個(gè)原子結(jié)合，每一個(gè)原子的一個(gè)價(jià)電子與另一個(gè)原子的一個(gè)價(jià)電子組成一個(gè)電子對，構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，如右圖所示。半導(dǎo)體一般都具有晶體結(jié)構(gòu)，故半導(dǎo)體又稱為單晶體。

　　共價(jià)鍵中的價(jià)電子不像絕緣體原子外層的電子被束縛得那么緊，在受到熱的作用或受到光照射時(shí)，熱能和光能轉(zhuǎn)化為電子的動能，原子最外層的價(jià)電子便很容易掙脫原子核的束縛，形成自由電子，此時(shí)在原子共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中，相應(yīng)出現(xiàn)了一個(gè)電子空位，稱為空穴，由于電子帶負(fù)電荷而原子又是中性的，因此空穴可認(rèn)為是帶正電荷。具有空穴的原子又可吸引鄰近原子中的價(jià)電子來填補(bǔ)其空穴，從而形成電子運(yùn)動。這時(shí)空穴也從某一個(gè)原子內(nèi)移動到了另一個(gè)原子內(nèi)，形成空穴運(yùn)動。這樣在一定條件下，半導(dǎo)體中出現(xiàn)了兩種帶電運(yùn)動，一種是帶負(fù)電荷的自由電子運(yùn)動；另一種便是帶正電荷的空穴運(yùn)動。在外電場的作用下，電子向電源正極定向運(yùn)動，空穴向電源負(fù)極定向運(yùn)動，于是電路中便形成電流。

　　半導(dǎo)體導(dǎo)電的特點(diǎn)，就是同時(shí)存在電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，所以自由電子和空穴都稱為載流子。純凈半導(dǎo)體中載流子總是成對出現(xiàn)，并不斷復(fù)合，在一定條件下達(dá)到動態(tài)平衡，使半導(dǎo)體中載流子的數(shù)量維持恒定。當(dāng)條件改變后，如溫度升高或光照加強(qiáng)，載流子數(shù)量又會增多，使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能增強(qiáng)，故溫度對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能影響很大。

　　純凈半導(dǎo)體一般導(dǎo)電能力是較差的，而在其中加入某種雜質(zhì)后，導(dǎo)電能力即可大大增強(qiáng)，其原因同樣與其共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)有關(guān)。

　　N型和P型半導(dǎo)體

　　在純凈的半導(dǎo)體中，摻入極微量有用的雜質(zhì)，雜質(zhì)不同，其增加的導(dǎo)電載流子的類型也不同，可分為兩大類，如在硅單晶體中摻入五價(jià)元素磷，磷原子外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)價(jià)電子與硅原子中的四個(gè)價(jià)電子形成共價(jià)鍵后，多出的一個(gè)電子便很容易掙脫原子核的束縛而成為自由電子，這樣摻磷后的半導(dǎo)體中自由電子的數(shù)量大大增加，因而加強(qiáng)了原純凈半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。摻入五價(jià)元素的半導(dǎo)體，自由電子是導(dǎo)電的主要載流子，稱多數(shù)載流子，而原半導(dǎo)體中的空穴則稱少數(shù)載流子，這種半導(dǎo)體由于電子帶負(fù)電，故稱電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體，如下圖a所示。

　　若在硅單晶體中摻入三價(jià)元素硼，硼原子外層只有三個(gè)價(jià)電子，與硅原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵時(shí)，將出現(xiàn)一個(gè)空穴，與N型半導(dǎo)體相比，這類半導(dǎo)體主要是空穴導(dǎo)電，即空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子，由于空穴被認(rèn)為帶正電，故稱空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體，如上圖b所示。

　　在N型半導(dǎo)體中，摻入五價(jià)元素越多，自由電子數(shù)量越多，導(dǎo)電性能越好。同理在P型半導(dǎo)體中，摻入三價(jià)元素越多，空穴數(shù)量越多，導(dǎo)電性能也越好。在制造時(shí)，可用摻雜的多少來控制多數(shù)載流子的濃度。而在使用中因出現(xiàn)溫度的升高或光照的增多，P型或N型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子的濃度也會出現(xiàn)急劇增加的現(xiàn)象。

　　N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，雖然都有一種多數(shù)載流子，但整個(gè)半導(dǎo)體仍是電中性的。

　　PN結(jié)的形成

　　將下圖a的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體采用一定的工藝措施緊密地結(jié)合在一起，由于N區(qū)電子濃度遠(yuǎn)大于P區(qū)，P區(qū)的空穴濃度遠(yuǎn)大于N區(qū)，因此N區(qū)的電子要穿過交界面向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)的空穴也要穿過交界面向N區(qū)擴(kuò)散。擴(kuò)散的結(jié)果，在交界面形成一個(gè)薄層區(qū)，在這薄層區(qū)內(nèi)，N區(qū)的電子已跑到P區(qū)，N區(qū)留下了帶正電的原子，形成N區(qū)帶正電；P區(qū)的空穴已被電子填充，P區(qū)留下了帶負(fù)電的原子，形成P區(qū)帶負(fù)電。這薄層稱為空間電荷區(qū)，如下圖b所示。

　　這薄層的兩邊類似已充電的電容器，形成由N→P的內(nèi)電場?？臻g電荷區(qū)內(nèi)基本上已沒有載流子，故又稱為耗盡層，或稱PN結(jié)，它具有很高的電阻率。顯然這個(gè)內(nèi)電場形成后將阻礙多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動；同時(shí)，內(nèi)電場又使P區(qū)少數(shù)載流子——電子向N運(yùn)動；使N區(qū)少數(shù)載流子—— 空穴向P區(qū)運(yùn)動。這種少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。

　　擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動是同時(shí)存在的一對矛盾，開始形成空間電荷區(qū)時(shí)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散是矛盾的主導(dǎo)，隨著擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行，空間電荷區(qū)即PN結(jié)不斷增寬，內(nèi)電場增強(qiáng)，此時(shí)擴(kuò)散運(yùn)動減弱，而漂移運(yùn)動越來越強(qiáng)，在一定溫度時(shí)，最終擴(kuò)散、漂移運(yùn)動達(dá)到動平衡，PN結(jié)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，PN結(jié)之間再沒有定向電流。

　　PN結(jié)的單向?qū)щ娫?/strong>