在上期芝識(shí)課堂中，我們學(xué)習(xí)了能帶理論和摻雜魔法，創(chuàng)造了n型和p型半導(dǎo)體。

今天，我們來探索所有二極管的核心——pn結(jié)?？纯此绾蜗褚坏乐悄艿摹皢蜗蜷T”控制電流，成為通往肖特基勢(shì)壘二極管世界的必經(jīng)之路！

電流的“單行線”pn結(jié)

在討論肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）之前，我們先了解一下pn結(jié)的工作原理，因?yàn)樗菢?gòu)成二極管的最基本結(jié)。

當(dāng)p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體緊密連接，由于交界處載流子濃度差異，n區(qū)的自由電子會(huì)向p區(qū)擴(kuò)散，p區(qū)的空穴向n區(qū)擴(kuò)散。它們?cè)诮唤缣幭嘤鰪?fù)合，導(dǎo)致界面附近形成一個(gè)幾乎沒有自由載流子的區(qū)域——耗盡層。

圖1. n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體剛接合在一起后

與此同時(shí)，剩下不能移動(dòng)的帶電離子產(chǎn)生了一個(gè)從n區(qū)指向p區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)，它阻止載流子進(jìn)一步擴(kuò)散。這個(gè)電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的電勢(shì)差稱為內(nèi)建電勢(shì)或擴(kuò)散電勢(shì)（VD）。此時(shí)，載流子擴(kuò)散與電場(chǎng)作用達(dá)到平衡，凈電流為零。這個(gè)沒有外加電壓的pn結(jié)，就像一道已經(jīng)關(guān)上的門，使電流停止流動(dòng)。

圖2. 處于平衡狀態(tài)的無偏pn結(jié)

單向?qū)щ姡赫蚱门c反向偏置

pn結(jié)的神奇在于，外加電壓可以控制這道“門”的開關(guān)。

正向偏置（正極接p區(qū)，負(fù)極接n區(qū)）時(shí)，外電場(chǎng)削弱內(nèi)建電場(chǎng)，勢(shì)壘降低，耗盡層變窄。n區(qū)的電子和p區(qū)的空穴能輕松越過勢(shì)壘，形成很大的正向電流，門“打開”，電流繼續(xù)流動(dòng)。

圖3. 正向偏置的pn結(jié)

反向偏置（正極接n區(qū)，負(fù)極接p區(qū)）時(shí)，外電場(chǎng)增強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)，勢(shì)壘升高，耗盡層變寬。多數(shù)載流子的擴(kuò)散被抑制，只有極少數(shù)的少數(shù)載流子在內(nèi)建電場(chǎng)下形成微弱的反向電流（漏電流），門“緊閉”了。

這就是pn結(jié)單向?qū)щ姷脑恚赫珜?dǎo)通，反偏截止。

圖4. 反向偏置的pn結(jié)

pn結(jié)的伏安特性曲線

將pn結(jié)的電壓-電流關(guān)系畫出來，就得到了其伏安特性曲線。它清晰地展示了單向?qū)щ娦裕赫螂妷撼^門檻電壓（硅約0.7V）后，電流指數(shù)增長(zhǎng)；反向電壓下，電流極小且基本恒定；當(dāng)反向電壓超過擊穿電壓時(shí)，電流會(huì)急劇增大。

不過，pn結(jié)有個(gè)“小脾氣”：反向恢復(fù)時(shí)間（trr）。當(dāng)二極管從正向?qū)ㄍ蝗磺袚Q到反向截止時(shí)，電流不會(huì)立刻變小，而是先出現(xiàn)一個(gè)較大的瞬時(shí)反向電流，需要一段時(shí)間trr才能恢復(fù)截止。這是因?yàn)檎驅(qū)〞r(shí)注入的少數(shù)載流子需要時(shí)間被“抽走”或復(fù)合。trr限制了pn結(jié)在高頻電路中的應(yīng)用速度。

你可以把pn結(jié)想象成一個(gè)裝有彈簧的單向閥門。正向壓力推開閥門，水流暢通；反向壓力則關(guān)得更緊。反向恢復(fù)時(shí)間就像突然反向時(shí)，水流的慣性導(dǎo)致的短暫反向流動(dòng)。

今天我們深入剖析了pn結(jié)的單向?qū)щ娫?，也認(rèn)識(shí)了它的速度瓶頸——反向恢復(fù)時(shí)間。那么，有沒有一種結(jié)，既能單向?qū)щ?，又能極速開關(guān)呢？答案是肯定的！

在下一課，芝子將帶你探索一種更快的結(jié)——金屬-半導(dǎo)體結(jié)，了解“肖特基接觸”與“歐姆接觸”的區(qū)別，以及關(guān)鍵物理量“功函數(shù)”的作用。

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