深入剖析PN结的单向导电原理

在上期芝识课堂中，我们学习了能带理论和掺杂魔法，创造了n型和p型半导体。

今天，我们来探索所有二极管的核心——pn结。看看它如何像一道智能的“单向门”控制电流，成为通往肖特基势垒二极管世界的必经之路！

电流的“单行线”pn结

在讨论肖特基势垒二极管（SBD）之前，我们先了解一下pn结的工作原理，因为它是构成二极管的最基本结。

当p型半导体和n型半导体紧密连接，由于交界处载流子浓度差异，n区的自由电子会向p区扩散，p区的空穴向n区扩散。它们在交界处相遇复合，导致界面附近形成一个几乎没有自由载流子的区域——耗尽层。

图1. n型半导体和p型半导体刚接合在一起后

与此同时，剩下不能移动的带电离子产生了一个从n区指向p区的内建电场，它阻止载流子进一步扩散。这个电场对应的电势差称为内建电势或扩散电势（VD）。此时，载流子扩散与电场作用达到平衡，净电流为零。这个没有外加电压的pn结，就像一道已经关上的门，使电流停止流动。

图2. 处于平衡状态的无偏pn结

单向导电：正向偏置与反向偏置

pn结的神奇在于，外加电压可以控制这道“门”的开关。

正向偏置（正极接p区，负极接n区）时，外电场削弱内建电场，势垒降低，耗尽层变窄。n区的电子和p区的空穴能轻松越过势垒，形成很大的正向电流，门“打开”，电流继续流动。

图3. 正向偏置的pn结

反向偏置（正极接n区，负极接p区）时，外电场增强内建电场，势垒升高，耗尽层变宽。多数载流子的扩散被抑制，只有极少数的少数载流子在内建电场下形成微弱的反向电流（漏电流），门“紧闭”了。

这就是pn结单向导电的原理：正偏导通，反偏截止。

图4. 反向偏置的pn结

pn结的伏安特性曲线

将pn结的电压-电流关系画出来，就得到了其伏安特性曲线。它清晰地展示了单向导电性：正向电压超过门槛电压（硅约0.7V）后，电流指数增长；反向电压下，电流极小且基本恒定；当反向电压超过击穿电压时，电流会急剧增大。

不过，pn结有个“小脾气”：反向恢复时间（trr）。当二极管从正向导通突然切换到反向截止时，电流不会立刻变小，而是先出现一个较大的瞬时反向电流，需要一段时间trr才能恢复截止。这是因为正向导通时注入的少数载流子需要时间被“抽走”或复合。trr限制了pn结在高频电路中的应用速度。

你可以把pn结想象成一个装有弹簧的单向阀门。正向压力推开阀门，水流畅通；反向压力则关得更紧。反向恢复时间就像突然反向时，水流的惯性导致的短暂反向流动。

今天我们深入剖析了pn结的单向导电原理，也认识了它的速度瓶颈——反向恢复时间。那么，有没有一种结，既能单向导电，又能极速开关呢？答案是肯定的！

在下一课，芝子将带你探索一种更快的结——金属-半导体结，了解“肖特基接触”与“欧姆接触”的区别，以及关键物理量“功函数”的作用。

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