PN結是半導體器件（如二極管、晶體管）的核心組成部分，其電學特性決定了器件的導通與截止行為。不同的外加電壓條件下，PN結會呈現不同的工作狀態，其中正向偏置和反向偏置是最主要的兩種模式。深入理解這兩種模式的工作機制，有助于掌握半導體器件的運行原理，并優化電子電路的設計與應用。

一、PN結的基本結構與內建電場

PN結由P型半導體與N型半導體結合形成。兩者接觸時，由于載流子濃度差異，N區的電子擴散至P區，P區的空穴也向N區擴散。隨著擴散進行，結區附近的自由載流子減少，形成一個固定帶電的區域，即空間電荷區（耗盡層）。在這一區域，P區靠近界面的部分因接受電子而帶負電，而N區靠近界面的部分因失去電子而帶正電。

由于這些固定電荷的存在，PN結內部產生了一個指向P區的內建電場。該電場會抑制電子和空穴的進一步擴散，使PN結在無外加電壓時保持動態平衡。這種內建電場的特性，使PN結具備單向導電能力，為后續的正向和反向偏置狀態提供了基礎。

二、正向偏置的工作原理

1. 正向偏置的連接方式

當P區接電源正極，N區接電源負極時，PN結進入正向偏置狀態。此時，外加電場方向與內建電場相反，削弱內建電場的作用，降低載流子的勢壘，使電流更容易通過PN結。

2. 物理機制

- 空間電荷區的變化

當PN結處于正向偏置時，外加電壓與內建電場方向相反，抵消了部分內建電場的作用。這使得耗盡層變窄，降低了電子和空穴穿越PN結的能量勢壘，從而提高了載流子的通過率。

- 載流子的擴散與漂移

正向偏置時，勢壘降低，使P區的空穴更易擴散至N區，N區的電子也更易進入P區。與此同時，外加電場推動空穴向N區移動，電子向P區移動，擴散與漂移共同作用，促使電流顯著增強。

- 正向電流的形成

在正向偏置下，主要由多數載流子（P區的空穴和N區的電子）主導電流流動。隨著外加電壓的增大，電子和空穴跨越PN結的幾率增加，電流隨之迅速上升，表現出指數增長的特性。這種電流稱為正向電流。

3. 正向偏置的特性

- 低電阻：PN結對正向電流呈低電阻狀態，表現出較低的壓降。

- 導通特性：在正向偏置下，PN結的正向電流隨著外加電壓的增加呈指數增長。當電壓超過一定閾值后，電流顯著增大。對于硅二極管，通常在約0.7V時開始導通，而鍺二極管的開啟電壓較低，大約在0.3V左右。

- 發光特性：對于LED（發光二極管）而言，正向偏置下的電子與空穴復合會釋放能量，以光子的形式發射出來。

三、反向偏置的工作原理

1. 反向偏置的連接方式

當P區連接電源負極，N區連接電源正極時，PN結處于反向偏置狀態。此時，外加電場方向與內建電場相同，增強了內部電場的作用，使空間電荷區擴大，進一步阻礙載流子的運動，從而抑制電流的流通。

2. 物理機制

- 空間電荷區的擴展

由于外加電場加強了內建電場，空間電荷區變寬，擴散勢壘增大，電子和空穴難以跨越PN結。

- 載流子運動受阻

在反向偏置條件下，PN結的勢壘增大，使多數載流子（P區的空穴和N區的電子）難以越過結區，導致電流受阻，PN結表現出高電阻特性，幾乎不導電。

- 反向電流的產生

盡管多數載流子無法通過，但少數載流子（P區的電子和N區的空穴）在外加電場作用下仍會發生微弱的漂移運動，形成極小的反向電流。由于少數載流子的數量有限，反向電流基本恒定，不隨電壓變化顯著，這種電流被稱為反向飽和電流。

3. 反向偏置的特性

- 高電阻：PN結對反向電流呈現高電阻狀態，幾乎不導電。

- 穩定性：反向電流極小且基本恒定，適用于穩壓應用。

- 擊穿現象：當反向電壓超過一定閾值（擊穿電壓）時，PN結內部的載流子會獲得足夠的能量克服勢壘，導致反向電流急劇增加。這種現象稱為擊穿，主要包括雪崩擊穿和齊納擊穿兩種類型。

四、正向偏置與反向偏置的對比

五、應用領域

1. 正向偏置應用：

- 整流電路（如整流二極管）

- 放大電路（如三極管）

- 發光器件（如LED）

2. 反向偏置應用：

- 電子開關（如穩壓二極管）

- 過壓保護電路（如瞬態抑制二極管）

- 光電探測器（如光電二極管）

結論

PN結的正向偏置和反向偏置分別表現出截然不同的電學特性。在正向偏置下，PN結電流增大，器件進入導通狀態，而在反向偏置下，PN結基本截止，僅有微小的反向電流。理解這些工作原理，對于半導體器件的應用和電路設計至關重要。