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PN结的形成、工作机理及其工作特性等是学习功率半导体器件结构和原理的基础知识。
价电子是指原子最外层的电子，决定物质的稳定性。价电子少于8个的物质，其性质不稳定。例如，铁原子的价电子为2个，因此铁器暴露在空气中时容易生锈。
半导体是指4个价电子的物质，导电能力介于导体和绝缘体之间，例如硅和锗。本征半导体是指高度提纯、晶体结构完整的半导体单晶体。在本征半导体里，某原子的任意一个价电子为与其相邻原子所共有，这样就形成了半导体晶体中的“共价键”。四价硅原子的共价键如图2.13所示。
自由电子是指原子受到外部温度、光照、电场或磁场等能量的作用而脱离共价键束缚成为自由运动的价电子，这个产生价电子的过程称为激发。价电子激发后成为自由电子，在原来的共价键中留下的一个空位，称为空穴。带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴，成为本征半导体的电子空穴对（见图2.14），统称为载流子。
图2.13 四价硅原子的共价键
图2.14 电子空穴对
掺杂是指在本征半导体中掺入微量的特定杂质而不改变半导体的晶体结构，以获得性质可控的杂质半导体。在掺杂过程中，杂质原子替代本征原子，需要释放或接收电子而成为离子，这个过程称为杂质电离。杂质半导体是半导体器件的基础材料，比本征半导体的电阻率更小，具有以下特点：
①具有本征半导体的晶体结构。
②自由电子和空穴不平衡而形成大量的载流子。
③室温具备导电能力。
杂质半导体分为N型半导体和P型半导体。图2.15所示的N型半导体的特点是：
①杂质比本征原子的价电子多。
②自由电子为多数载流子。
③杂质电离后成为正离子。
④呈电中性。
图2.16所示的P型半导体是以空穴为多数载流子（多子）、自由电子为少数载流子（少子）的杂质半导体。
图2.15 N型半导体
图2.16 P型半导体
在一个本征半导体的不同区域注入浓度各异的施主和受主杂质，施主浓度大于受主浓度的区域形成N型半导体，而受主浓度大于施主浓度的区域形成P型半导体。N型半导体和P型半导体两个区域之间能够形成一个特殊电学性能的过渡区域，称为PN结。PN结形成的过程如下：
①掺杂：同一半导体的两个区域掺杂为P型半导体和N型半导体。
②扩散运动：P区和N区的接触面形成多子的浓度梯度，进行相向的载流子扩散运动。
③空间电荷区：多子扩散后，P区侧的电离受主形成了一个负电荷区，N区侧的电离施主形成了一个正电荷区，由此形成了一个空间电荷区，即一个空穴和电子几乎完全中和的耗尽层。
④内电场：耗尽层的N区正离子和P区负离子建立了一个内电场，形成一个势垒区。
⑤漂移运动：空间电荷区自建的内电场促进少子的漂移运动，且阻碍多子的扩散运动。
⑥动态平衡：多子的扩散运动和少子的漂移运动达到动态平衡，形成平衡的PN结。
PN结分为对称PN结和非对称PN结，前者的P区和N区的杂质的掺杂浓度相等，耗尽层的受主离子和施主离子的宽度相等。非对称PN结的两个区的杂质的掺杂浓度不相等，P区和N区在耗尽层的离子宽度也不相等，如图2.17所示。
图2.17 PN结
a）对称PN结 b）非对称PN结
PN结的正向偏置是指在一个平衡PN结的P区连接一个外部直流电源的正极，N区连接该电源的负极，它的电学特性如下：
①势垒区变窄：外电场削弱PN结的内电场，势垒区变窄。
②扩散运动增强：多子浓度梯度增大，促进多子的扩散运动，阻碍少子的漂移运动。
③扩散电流：PN结的结电流表现为P区和N区多子的扩散运动而形成的电流。
④非平衡少子：在外电场作用下，载流子的扩散运动大于漂移运动，电子从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区，形成各自的非平衡少子，电源的空穴或电子进入相应的区域复合相应的非平衡少子。
⑤电荷存储效应：非平衡少子在各自的区域形成一个浓度梯度，在远离PN结的区域，非平衡少子因全部复合而浓度趋于零；趋向PN结的少子浓度提高，在PN结边界的浓度最大，导致少子在PN结边界积累，产生了PN结正向偏置的电荷存储效应。
PN结的反向偏置是指在一个平衡的PN结的P区连接一个外部直流电源负极，N区连接电源正极，其电学特性如下：
①势垒区变宽：外电场使PN结的内电场增强，势垒区变宽。
②漂移运动增强：势垒区增强，促进少子的漂移运动，阻碍多子的扩散运动。
③漂移电流：PN结的反向饱和电流表现为P区和N区少子的漂移运动而形成的电流。
④少子抽取：在外电场作用下，载流子的漂移运动大于扩散运动，电子从P区漂移到N区，电源的空穴进入N区与N区的电子复合；空穴从N区漂移到P区，电源的电子进入P区与相应的空穴复合。载流子的浓度从电源与半导体的接触面向PN结的边界趋向零，即空间电荷区的少子趋向电源与半导体的接触面，这就是PN结反向偏置的少子抽取作用。
PN结的正、反向偏置作用可理想表达为PN结的单向导电性，即PN结正向导通、反向截止。当PN结的正向偏置电压增大到某一值时，很小的偏置电压增量就能引起PN结电流的大幅变化，这个正偏电压称为PN结的势垒电压 U TO ，又称阈值电压。不同半导体材料制成的PN结，它的 U TO 不同，如硅的 U TO 为0.7V，而锗的 U TO 为0.3V。
当PN结的反向偏置电压超过其反向击穿电压值 U BR 时，PN结的反向电流急剧增大，而结电压保持在PN结的反向击穿电压值左右。PN结正反向偏置特性的伏安特性曲线如图2.18所示。PN结的伏安特性受到温度的影响，因为半导体的温度影响其载流子的运动。
图2.18 PN结的 I - U 曲线
当PN结的偏置电压发生变化时，势垒区和非平衡少子的浓度分布将随之变化，PN结势垒区的电荷也将发生变化，这就是PN结的电容效应。PN结中储存的空间电荷随外加电压的变化而改变产生的电容效应，称为PN结的势垒电容。PN结中非平衡少子的浓度分布随外加电压的变化而改变产生的电容效应，称为PN结的扩散电容。PN结的势垒电容和扩散电容之和，称为PN结的结电容。当PN结正偏时，正向电阻小，PN结的结电容以扩散电容为主。当PN结反偏时，反向电阻大，PN结电容为势垒电容。PN结的电容影响PN结的工作频率，特别是高速的开关状态。PN结的结电容一般为1pF，功率半导体器件的结电容可超过100pF。
当PN结的反向偏置电压增大到某一数值时，PN结的反向电流骤大的现象，称为PN结的击穿。PN结的击穿分为雪崩击穿、隧道击穿和热击穿三种。雪崩击穿和隧道击穿称为PN结的电击穿，电击穿的PN结具有可逆性。PN结的热击穿与其结温相关，当PN结反偏时，反向电流引起结温上升，又导致反向电流和热损耗增加。如此恶性循环，直到PN结烧毁的击穿现象，称为PN结的热击穿。热击穿能够造成PN结发生不可逆的退化，这种现象称为热奔。
普通的半导体二极管是由一个P型半导体和N型半导体形成的PN结，它的电气符号如图2.19所示。二极管的阳极A与P型材料连接，阴极K与N型材料连接，通常在二极管的一端有一条色带用来指示负极。
图2.19 二极管
a）PN结示意图 b）电气符号
二极管的基本特性是单向导电性，与PN结有相似的伏安特性曲线。它有两个基本工作状态，即正向偏置状态和反向偏置状态。
在二极管的A端加一个相对比K端高的电位，认为二极管处于正向偏置状态。如果正向偏置电压大于PN结的阈值电压，那么二极管就会导通，电流从器件的A端流向K端，在器件的AK两端产生一个电压降，一般小于1V。
当二极管处于反向偏置状态时，AK两端为负电压，器件不导通，但是有一个微弱的反向饱和电流从K端流向A端，称为二极管的漏电流。如果二极管的反向偏置电压继续增大，器件就会被击穿。
二极管的主要参数包括最大整流电流 I F 、反向工作峰值电压 U RM 、反向峰值电流 I RM 、最大正向压降 U F 和阈值电压 U TO 等。
1）最大整流电流 I F ：指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。例如，常用的1N4001～4007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。
2）反向工作峰值电压 U RM ：指击穿二极管的反向电压，此时器件失去了单向导电能力。例如，1N4001二极管反向耐压为50V，1N4007反向耐压为1000V。
3）反向峰值电流 I RM ：指二极管在规定的温度和反向工作峰值电压的作用下，消除电荷存储效应，流过二极管的最大反向电流。反向峰值电流越小，器件的单方向导电性能越好。反向峰值受温度影响大，随器件温度升高而增大。
4）最大正向压降 U F ：指器件流过最大整流电流时的阳极和阴极两端的电压降。
根据器件的用途，二极管可用作检波、整流、限幅、调制、放大、（高速）开关、变容、频率倍增、稳压、变阻、高频振荡、瞬变电压抑制、发光等。
将二极管作为理想的开关器件，器件的正向偏置阻抗为零，反向偏置阻抗为无穷大，它的特性曲线如图2.20a所示。理想二极管是不产生功率消耗的。在电路设计中，二极管的理想伏安特性曲线可用来估算二极管电路的电流，该电流由电源电压和负载决定。
将二极管作为准理想的开关器件，当器件的正向偏置电压超过阈值电压时，阻抗近似为零；否则器件的阻抗为无穷大。它的伏安特性曲线如图2.20b所示。在实际的电路设计中，往往应用二极管的准理想特性曲线。因为应用准理想特性曲线不仅能够估算二极管的电流，而且可以估算它的消耗功率，以此进行器件的散热设计。
图2.20 二极管的近似伏安特性曲线
a）理想特性曲线 b）准理想特性曲线
【例2-9】二极管VD与电阻 R 串联的电路如图2.21所示，二极管的型号为1N4001。
（1）当电源 u s 为直流12V时，估算电阻 R 的阻值。
（2）采用（1）中的电阻，当电源 u s 为幅值12V和频率50Hz的正弦波时，估算二极管VD的电流平均值、电流有效值和最大功耗。
（3）绘制（2）中的二极管VD的电压波形。
图2.21 例2-9的电路
解：首先查阅相关型号二极管的基本参数： I F 、 U F 、 U RM 和 I RM 。经查阅，型号1N4001的二极管的基本参数如下：
I F =1A， U F =1V， U RM =50V， I RM =5μA
（1）估算电阻 R 的阻值。
二极管VD的正向最大电流 I F 为1A，显然流过电阻 R 的电流不能超过1A，即
整理上式，可得
如果将VD视为理想二极管，那么VD的管压降 u VD 为0，即有
根据题意，有
u s =12V， I F =1A
代入计算式，可求得这样，估算的电阻 R 值为12Ω。
（2）计算二极管的电流与最大功耗。
由于二极管VD的单向导电性，正弦电压源的正半波可以通过二极管VD。假设VD是一个理想二极管，估算二极管VD的电流 i VD 。
根据题意，有
u s =12sin314 t
R =12Ω
因此
假设VD是理想的二极管，二极管的阈值 U TO 和管压降 u VD 都为零，即有
这样，二极管VD的电流表达式为
运用例2-5求得的正弦半波的平均值和有效值，可得二极管VD的电流平均值 I ave 和有效值 I rms 的估算值。
估算二极管VD的功耗，必须考虑二极管的管压降 u VD ，那么VD的功耗 p VD 表达式为
p VD = u VD i VD ≤ U F i VD
即有
显然，二极管VD的最大功耗为1W。
（3）第一种方法，采用二极管VD的理想伏安特性。
假设二极管VD的阈值电压和导通压降为0，反向完全截止。这样，二极管VD的正向电压为0，反向电压等于电源电压，如图2.22a所示。它的数学表达式为
第二种方法，采用二极管VD的准理想伏安特性。
假设二极管VD的阈值电压和导通压降等于1V，反向完全截止。这样，二极管VD的正向电压为1V，反向电压等于电源电压，如图2.22b所示。它的数学表达式为
图2.22 例2-9中的二极管VD的电压波形
a）理想二极管 b）准理想二极管