二极管Diode本质上是一个只许电流单方向通行的“电子单向阀”。它是电路里最基础、也是最重要的半导体元器件之一几乎所有电源、信号处理和保护电路都离不开它。1、核心结构PN结P型半导体 (P-type Semiconductor)P Positive正的充满了带正电的“空穴”原因在本征半导体中掺入三价元素如硼 B、镓 Ga这些杂质原子只有3个价电子与周围硅原子形成共价键时会缺少一个电子产生一个“空位”即空穴。空穴等效于带正电且能吸引相邻原子的电子来填补造成空穴的移动。因此这类半导体的导电主体是带正电的空穴故称为 P型。N型半导体 (N-type Semiconductor)N Negative负的充满了带负电的自由“电子”原因在纯净的本征半导体如硅中掺入五价元素如磷 P、砷 As这些杂质原子有5个价电子其中4个与周围硅原子形成共价键多出1个自由电子。这个自由电子带负电且在室温下极易参与导电。因此这类半导体的导电主体是带负电的电子故称为 N型。当P型和N型材料合在一起时交界处会形成一层特殊的阻挡层空间电荷区这就是PN结。PN 结的形成本质上是两种载流子的运动结果扩散运动和漂移运动。P 区有大量空穴浓度高N 区空穴极少浓度低N 区有大量自由电子浓度高P 区电子极少浓度低物理规律物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动就像一滴墨水滴进水里会散开。于是P 区的空穴向 N 区扩散N 区的电子向 P 区扩散。它们在交界处相遇电子填充了空穴两者都消失了这叫“复合”。电子和空穴在交界处复合后那里就不再有自由的载流子了。但是原子本身还在。P 区失去了空穴相当于失去了正电荷留下了带负电的杂质离子N 区失去了电子相当于失去了负电荷留下了带正电的杂质离子。这一层只剩下不能移动的正负离子形成了一个“空间电荷区”。因为这里几乎没有能自由移动的带电粒子电子或空穴所以它也叫“耗尽层”Depletion Region。这些正负离子虽然不动但它们会产生电场就像一块带正电的板和一块带负电的板面对面放着。这个由电荷分布自发形成的电场叫做内建电场或自建电场。方向是由 N 区指向 P 区。内建电场一旦形成它就会对载流子施加一个力。它阻碍多数载流子的扩散即想把电子推回 N 区把空穴推回 P 区但助力少数载流子的漂移N 区的空穴和 P 区的电子会被电场拉向对面。最终扩散运动和漂移运动达到动态平衡扩散过去多少载流子就被电场拉回来多少。此时宏观上不再有电流。此时PN结是一个无源的状态。中间有一个耗尽层绝缘层两边有内建电场存在一个电位差即常听的硅管约 0.6~0.7V锗管约 0.2~0.3V。要真正理解PN结我们必须引入一个核心概念费米能级 (EF)。1. 费米能级是什么费米能级并非电子的实际位置而是衡量电子化学势能的标尺。简单来说它代表了电子填充能级的“水位线”。在热平衡状态下电子总是倾向于从费米能级高的地方流向费米能级低的地方直到各处费米能级持平。2. PN结形成与能带弯曲在未接触的P型和N型半导体中费米能级是分立的N区高P区低。接触前N区电子多呈电中性。费米能级 EFn高;P区空穴多呈电中性。费米能级 EFp低。此时两区的电势基准是一样的假设为0。接触后电子从N区跑到了P区。N区跑掉了带负电的电子 →N区留下了带正电的施主离子原子核 →N区整体带正电。P区接收了带负电的电子 →P区中和了部分带正电的受主离子 →P区整体带负电。因为N区带正电它在空间上产生了一个正电势Positive Electric Potential。因为P区带负电它在空间上产生了一个负电势Negative Electric Potential。这就形成了一个内建电场方向从N指向P。在能带理论中电势越高能带的位置就越高能带图是把电势势能画出来的图。N区由于带正电电势升高了 →所以能带整体上移。P区由于带负电电势降低了 →所以能带整体下移。平衡态整个系统的费米能级 EF最终被拉平 一方无法流出电子另一方无法抢夺电子。但是N区的导带底EC和价带顶EV都比P区的高。这个高度差就是内建电势 Vbi。EFN EFP EFqVbi (EC)N − (EC)P能带位置越高 →电子处在这个状态时具有的电势能越高。能带位置越低 →电子处在这个状态时具有的电势能越低。深度辨析能带 vs 费米能级初学者常混淆两个概念1.能带位置 (EC,EV)代表电子在该点固有的静电势能。N区掺杂正离子多电势高故能带位置高。2.费米能级 (EF)代表电子的填充水平或化学势。它是电子流动的驱动力。平衡态的核心法则全系统的费米能级必须统一但能带位置可以不同。N区就像是高水位的水库带正电势能高能带位置高。P区就像是低水位的河流带负电势能低能带位置低。PN结就是中间由水流过时积累的沙子所构成的大坝内建电场。一句话记忆费米能级平了电流停了能带弯了势垒成了。3. 物理意义正是因为这个能带的弯曲形成了阻碍电子进一步扩散的势垒。外加电压的本质就是在改变这个统一的费米能级从而控制势垒的高低实现二极管的开关特性。