摘要： PN结是半导体技术的关键所在，它又称为内电场，具有一定的电位差，但为什么做成二极管后在它的两端却没有电压呢？这个问题在所有的模电书籍上都未提及。本文针对这个问题进行分析探讨。
Abstract： PN agglomerate， which is also called internal electromagnetic field and has certain voltage， is the key to the semiconductor technique. But there are not voltage at both ends when it is made into a diode. Not one analogue electron technique book has mentioned the problem above. This article analyzes and probes into it.
关键词： 半导体；PN结；电压
Key words： semiconductor；PN agglomerate；voltage
中图分类号：[TM23] 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）30-0209-02
0 引言
自上个世纪四十年代造出第一只二极管以来，电子技术得到了飞速发展。它的发展给我们的生活带来了革命性的变化。模拟电子技术基础是电子技术的一个分支，它是高等院校电子类、通信类、信息类等专业一门必修的专业基础课。这门课程最基础的知识就是半导体，而半导体最基本的也是最重要的应用就是PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。在所有模电书籍中，都对PN结进行了详细的阐述，但有一个问题书籍上都没有解释，这就是本文提到的问题。
1 PN结的形成
在自然界中，存在一种现象：分子或原子会由浓度高的地方向浓度低的地方运动，我们称为扩散。在一块半导体中，如果一边形成P型半导体，一边形成N型半导体，则在它们的交界面处，就会出现自由电子和空穴的浓度差。P型半导体的空穴浓度比N型半导体的空穴浓度高，而N型半导体的自由电子浓度比P型半导体的自由电子浓度高（如图1所示，我们用小圆圈表示P型半导体中的空穴，用小黑点表示N型半导体中的自由电子），由此就会产生载流子（空穴和自由电子）的扩散。
根据扩散的自然规律，在半导体中，P型半导体区域中的“空穴”会向N型半导体区域扩散，N型半导体区域中的“自由电子”会向P型区域扩散（如图2所示）。
在扩散前，原来P区和N区的正负电荷是相等的，是电中性的。随着N区的“自由电子”向P区扩散，P区的“空穴”向N区扩散，在半导体交界面的两边就留下了不能移动的正负离子。它们都是带有电荷的，这样在交界面处就形成了一定的空间电荷区，P型半导体区积累了一定数量的负电荷，N型半导体区积累了一定数量的正电荷。根据电磁场理论，在交界面处就会产生一个由N区指向P区的电场，我们称为“内电场”。
随着扩散的进行、内电场的建立，载流子的扩散运动将由于受到电场力的作用而受到阻碍，扩散运动将逐渐减弱。这是因为“空穴”带有一个电量的正电荷， “空穴”由半导体的P区向N区扩散，运动方向是逆着电场方向的，“自由电子”带有一个电量的负电荷，“自由电子”由半导体的N区向P区扩散是顺着电场方向的，它们在电场中运动，都要受到电场力的作用，力的作用方向和它们的运动方向相反，因此，扩散运动进行的时间越长，扩散到对方区域的载流子越多，在交界面处留下的空间电荷就越多，电场就越强，扩散运动受到的阻力就越大，扩散运动就越弱。与此同时，P区和N区的少数载流子（P区为自由电子，N区为空穴）也在做不规则运动，当它们运动到内电场的边缘时，在电场力的作用下，就会漂移（漂移：在电场力作用下载流子的定向运动）到对方的区域。显然，扩散时间越长，内电场越强，漂移越容易进行。漂移到对方区域的少数载流子会与空间电荷区的电荷“复合”，使空间电荷减少，空间电荷区变窄。漂移和扩散这两种运动的方向是相反的，对内电场的影响也是不同的。扩散运动使内电场加强，空间电荷区变宽；漂移运动使内电场减弱，空间电荷区变窄。刚开始，只有扩散运动，没有漂移运动。随着扩散的进行，内电场的建立，开始阻止扩散运动，有漂移运动产生。此时，扩散运动占据优势，扩散运动强，漂移运动弱。随着扩散的进一步进行，内电场越来越强，扩散就越来越不容易进行，相反，漂移越来越容易进行。直到这两种运动达到一种平衡状态，也就是说，在同一时间内，扩散到对方区域的载流子的数目和漂移到对方区域的载流子的数目相等，这样，从宏观上看，相当于没有载流子的运动一样，我们就称为平衡了，空间电荷区也就不再发生变化了，也就是说内电场也就稳定了。需要注意的是，这个“平衡”是动态的，不是真正的运动静止，只是两种运动形成的载流子数目相等而已，所以我们称这个平衡为“动态平衡”。这个平衡的、稳定的“内电场”我们就称为PN结。（如图3所示）（PN结又称为耗尽层或势垒区，它的解释参看有关模电书籍）
2 PN结的特性
PN结的特性可从两个方面分析。其一，我们称为“内特性”。如前所述，PN结是由载流子移动留下的空间电荷区，在交界面处形成了一个由N区指向P区的电场。根据电磁场理论，它自然就有电压。据理论分析和实验证明，这个内电场的电压一般为零点几伏。不同材料的半导体，PN结的电压略有不同，硅材料一般为0.5～0.8V，锗材料一般为0.1～0.3V。其二，我们称为“外特性”。所谓的外特性是指，在PN结两端加上外加电压时呈现出来的特性，又称为伏安特性。它又分为正向特性和反向特性。
当PN结的P区接外加电压的正极，N区接外加电压的负极时，我们称为PN结外加正向电压。此时，外加电压在PN结上形成的电场方向是由P区指向N区的，而PN结的“内电场”的方向是由N区指向P区的，这两者的方向正好相反，因此外电场就要抵消内电场，或称为削弱内电场，这样，PN结内原来的“平衡”就被打破了，相当于内电场变小了。所以，两种运动也就失去了平衡，扩散运动重新占据优势，P区的空穴不断地向N区扩散，而N区的自由电子也不断地向P区扩散，以寻得到新的平衡。但是，在外电场的作用下，扩散到P区的自由电子不断的被电源正极拿走，扩散到N区的空穴不断的被电源的负极拿走，也就是说，空间电荷区永远达不到原来的状态，“内电场”也永远达不到原来的强度。这样，扩散就持续不断地进行，从而形成了扩散电流。外电场越强，扩散电流越大，PN结相当于导通，我们称PN结正向导通。 当PN结的P区接外加电压的负极，N区接外加电压的正极时，我们称为PN结外加反向电压。此时，外加电压在PN结上形成的电场方向是由N区指向P区的，而PN结的“内电场”的方向也是由N区指向P区的，这两个电场的方向相同，因此外电场就要增强内电场，也就是内电场强度变大，这样，PN结内原来的“平衡”同样被打破，相当于内电场变大了。所以，两种运动也就失去了平衡，扩散运动几乎变得不可能，而漂移运动反而很容易进行。这时，P区的少数载流子自由电子就会向N区漂移，N区的少数载流子空穴就会向P区漂移。漂移过去的少数载流子不断地被外加电源拿走，从而在外电路形成一个持续不断的电流。由于少数载流子的数目非常少，所以形成的这个电流也非常小。这个电流与正向导通时形成的电流根本就不是一个数量级，与正向电流相比，这个电流可以忽略。所以，我们通常认为这时PN结是不导通的，叫做截止，我们称PN结反向截止。
PN结的这个正向导通、反向截止的特性我们称为PN结的单向导电性。
3 PN结的外在表现
PN结是构成各种半导体器件的基础，它最简单最基本的应用就是做成一个二极管。二极管就是一个PN结在它的两个区域（N区和P区）分别焊接两条引线外加一个管壳构成的。我们知道，PN结是有电压的，而且PN结两端的区域与PN结的外缘是等电位的，但做成二极管之后我们再用万用表来测量二极管，却发现二极管两端是没有电压的，这是为什么呢？
我认为造成PN结和二极管外在表现不同的根本原因是两者的结构有所不同。PN结是一个理想的结构模型，便于理论分析，而二极管是一个实际器件，它与PN结还是有差异的。前已说过，PN结必须在它的两端焊接引线才能做成二极管，正是这样的焊接造成了PN结原有的电位在外在表现的缺失。当在PN结的两端焊接金属引线时，金属引线与PN结两端的半导体相熔构成牢固的连接，同时这个焊接又形成了两个相当于点接触型的PN结（如图3所示）。这两个PN结与原有的PN结有所不同，它的一个区域是金属，形成的PN结电压比较小，并且是“背靠背”的，它们产生的“内电压”正好与原来的PN结电压相抵消，因此在二极管的两端我们就测量不出PN结的电压。
4 结束语
本文是作者多年从事模电教学关于PN结内容的一个思考，它可以给出学生对于PN结外在电压不表现问题的一个合理解释。各位同仁如有不同见解，可以联系本人，共同探讨。
参考文献：
[1]康华光.电子技术基础（第五版），高等教育出版社，2006.
[2]华成英.模拟电子技术基本教程.清华大学出版社，2006.
[3]刘丽妹，姜惠君，莫文玲，魏环.PN结正向电流-电压关系的一种简洁阐述[J].物理与工程，2008（03）.
