PN结,即半导体PN结,是一种非常常见的半导体器件。它由一块n型半导体和一块p型半导体组成,两块半导体通过界面结合成PN结。PN结的特性是,当它不接电源时,在PN结两侧形成的电场是相互平衡的,在PN结内形成的空间电荷区的宽度也是恒定的。当给P区施加正电压,N区施加负电压时,我们就说PN结被反向偏置了。
PN结的特性在半导体器件中有着非常重要的作用,是很多器件的基础。PN结反向偏置就是其中重要的一个应用。
反向偏置就是在PN结的两端施加反向电压的过程。在此情况下,P区的载流子被拒绝过去,N区的载流子也被拒绝过去。因此,在PN结的两端会形成一个电场,阻止电子通过。当反向偏置电压增加到一定程度时,PN结的电场会把大部分电子都拒绝出PN结,因此在PN结中就形成高电场区,从而影响内部电荷分布,使得PN结中空间电荷区宽度扩大。
这个高电场的增加同样影响PN结内部的电子与空穴的复合的速率。在反向偏置的情况下,这个速率减少,少量的电子空穴对被在PN结界面处的正、负离子所俘获而失去,而这些离子带有反向的电荷,因此可以增强PN结内的电场。这种反馈现象称为击穿效应,当电压继续增加时,PN结内的电流就会急剧增强,使得器件被损坏。
PN结的反向偏置具有很多应用。例如:
在Zener二极管中,当反向电压达到特定值时,电流开始迅速增加,类似于击穿现象。这种Zener二极管在压力稳定电压时被用作电压参考。(如图所示)
光电二极管也是PN结,当光子进入PN结,可能会影响其中空穴和电子的浓度及其分布,从而影响PN结的电流和电压。
PN结反向偏置的检测可以使用万用表或电压表。将万用表或电压表的电极正极(红色)连接PN结反向偏置的P区,负极(黑色)连接N区,当电压表中读数为0时,即为PN结反向偏置。