無線電晶體或方鉛礦形式的天然半導(dǎo)體早已為人所知。水晶收音機在無線電早期非常流行。無線電探測器主要采用方鉛礦，這是一種結(jié)晶礦物，是硫化鉛（一種非金屬）的天然形式。檢測器將天線接收到的交流信號轉(zhuǎn)換為直流（具有整流特性），并解調(diào)調(diào)幅信號?，F(xiàn)在，具有這種特性的元件被稱為二極管。
　　方鉛礦的價帶和導(dǎo)帶之間的能隙很小，約為 0.4 eV。方鉛礦還含有少量雜質(zhì)，可以使受激電子躍入導(dǎo)帶并導(dǎo)電。方鉛礦無線電不需要外部電源來實現(xiàn)這一點。水晶收音機影響了 20 世紀(jì)無線通信在范圍內(nèi)的擴展。
　　對傳導(dǎo)機制的進一步了解使得我們可以用當(dāng)今優(yōu)化的半導(dǎo)體來取代這些原始的整流形式。
　　本文將重點關(guān)注 pn 結(jié)作為許多半導(dǎo)體器件的主要示例。
　　PN整流結(jié)

　　PN結(jié)是一種整流二極管，因為它具有不對稱的電流/電壓特性，允許電流僅沿一個方向流動。一個例子是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

　　圖 1 顯示了硅 PN 結(jié)的 IV 特性。
　　具有反向偏置的 PN 結(jié)

　　將電池 (DC) 的負(fù)極端子連接到 PN 結(jié)的 P 型側(cè)，將正極端子連接到 PN 結(jié)的 N 型側(cè)時，會發(fā)生反向偏壓，從而使 N 型側(cè)比 P 型側(cè)更正極。圖 2 顯示了電荷載流子對施加反向偏置電勢的反應(yīng)。

　　圖 2. 反向偏壓的電子和空穴分布。
　　連接極性導(dǎo)致 P 型側(cè)的空穴和 N 型側(cè)的電子遠離結(jié)，分離正電荷和負(fù)電荷（極化），并使結(jié)周圍更大的區(qū)域沒有移動電荷載流子。
　　負(fù)電荷區(qū)域進一步向結(jié)點左側(cè)擴展，正電荷區(qū)域進一步向結(jié)點右側(cè)擴展。
　　實際上，由于熱能在整個晶體中產(chǎn)生少量空穴電子對，因此會流過小電流。N 型側(cè)形成的空穴和 P 型側(cè)產(chǎn)生的電子將漂移到結(jié)。該過程會產(chǎn)生反向飽和電流 (IS)，該電流會隨著溫度的升高而增加，并且與反向偏壓的大小無關(guān)。因此，結(jié)的反向電阻隨著溫度的升高而降低。
　　反向飽和電流約為幾 ?A，通常為 nA（大功率器件除外）。它很快達到水平，并且不會隨著反向偏置電勢的增加而發(fā)生顯著變化——這就是術(shù)語飽和的原因。
　　解釋反向傳導(dǎo)機制的另一種方法是考慮未施加電壓 (V0) 時結(jié)點上的勢壘以及使用反向偏置電勢 V 的影響。
　　由于大量自由電子被吸引到電池的正極端子，N型側(cè)將增加耗盡區(qū)中未被覆蓋的正離子的數(shù)量。由于大量的空穴被吸引到電池的負(fù)極端子，P型側(cè)將增加耗盡區(qū)中未被覆蓋的負(fù)離子的數(shù)量。結(jié)果是耗盡區(qū)變寬，多數(shù)載流子需要克服的勢壘更高。反向偏置電勢增加到勢壘電壓，將有效勢壘電壓增加到V0+V。
　　增加的勢壘高度減少了多數(shù)載流子的流動、擴散到n型側(cè)的空穴數(shù)量以及擴散到P型側(cè)的電子數(shù)量。額外的勢壘高度不會影響少數(shù)載流子的流動（P 型側(cè)的電子和 n 型側(cè)的空穴），因為它們會從山上掉下來。
　　總而言之，擴散電流 Id 顯著降低。一伏左右的反向偏置電壓足以消除 Id。那么，流過結(jié)點和外電路的電流就是電流Is?；叵胍幌拢@是由于少數(shù)載流子（熱產(chǎn)生的）漂移穿過耗盡區(qū)而產(chǎn)生的電流，IS 將非常小并且嚴(yán)重依賴于溫度。
　　圖3顯示了具有反向飽和電流方向的整流器（二極管）符號，圖1的左半部分顯示了反向偏置條件下的伏安特性。

　　圖 3. Is 的反向偏置極性和方向。
　　具有正向偏置的 PN 結(jié)
　　當(dāng)將電池的正極端子連接到 PN 結(jié)的 P 型側(cè)、將負(fù)極端子連接到 PN 結(jié)的 N 型側(cè)時，會發(fā)生正向偏壓，從而使 P 型側(cè)比 N 型側(cè)更具正極性。圖 4 顯示了電荷載流子對施加正向偏置電勢的反應(yīng)。

　

　　圖 4. 正向偏壓的電子和空穴分布。
　　電池的正極端子排斥空穴，而負(fù)極端子排斥電子。然后，多數(shù)載流子、N型側(cè)的電子和P型側(cè)的空穴行進到結(jié)。當(dāng)空穴和電子相遇時，它們會重新結(jié)合，從而相互消滅。這個過程減少了耗盡區(qū)的寬度，產(chǎn)生了穿過結(jié)的多數(shù)載流子的大量流。
　　施加的正向電壓 V 擾亂了初在傾向于產(chǎn)生多數(shù)載流子擴散的力與結(jié)處勢能勢壘的抑制影響之間建立的平衡。正向電壓降低了結(jié)處勢壘的高度，導(dǎo)致耗盡區(qū)上的勢壘電壓為 V0?V。
　　較低的勢壘電壓使得更多的空穴從P型側(cè)擴散到N型側(cè)，并且更多的電子從N型側(cè)擴散到P型側(cè)。大量電荷載流子流過半導(dǎo)體流向結(jié)，產(chǎn)生低電阻和可觀的電流。因此，擴散電流Id大幅增加。
　　少數(shù)載流子流（電子從 p 型側(cè)到 n 型側(cè)以及空穴從 n 型側(cè)到 p 型側(cè)）的大小不會改變。然后，Id變得比反向飽和電流Is大多個數(shù)量級。
　　電流Id沿結(jié)點正向流動，如圖5所示。

　

　　圖 5. 正向偏置極性和 Id 方向。
　　增加所施加偏壓的幅度會減小耗盡區(qū)的寬度。它使電流呈指數(shù)上升——如圖 1 伏安特性的右半邊所示。
　　連接點故障
　　施加在介電材料上的高強度電場可能會突然將大量電子激發(fā)到導(dǎo)帶內(nèi)的能量，導(dǎo)致通過介電材料的電流急劇增加。這種現(xiàn)象有時伴隨著燃燒、局部熔化或汽化，產(chǎn)生不可逆的材料降解和失效。介電強度或擊穿強度是引起擊穿的電場強度。
　　在 PN 結(jié)中，熱產(chǎn)生的載流子可以支持較小的反向飽和電流，等于 Is。假設(shè)我們施加大于 Is 的反向電流。與之前一樣，結(jié)處勢壘的高度不斷增加，直到 Id = 0，穿過結(jié)的載流子是熱產(chǎn)生的載流子。但這些運營商只能支持當(dāng)前的Is。
　　當(dāng)我們增加反向電壓時，耗盡區(qū)變寬，并且我們達到足夠高的結(jié)電壓，其中新的機制進入以支持所施加的電流。這種新機制就是結(jié)點擊穿。
　　高結(jié)電壓是擊穿電壓（VBR）或齊納電壓（Vz??）。在該反向偏置電壓下，會流過巨大的反向電流，如圖 1 的左半部分所示，伏安特性發(fā)生顯著變化。
　　觀察到反向電壓的增加，而反向電流顯著上升——結(jié)點上的反向電壓保持非常接近值 VZ。
　　只要結(jié)具有足夠的功耗能力以在擊穿區(qū)域工作，結(jié)擊穿就不是破壞性現(xiàn)象。因此，pn結(jié)可以經(jīng)常工作在擊穿區(qū)而不損害其特性。實際應(yīng)用是雪崩、擊穿或齊納二極管。
　　PN 結(jié)擊穿的兩種機制是齊納效應(yīng)和雪崩效應(yīng)。
　　當(dāng)耗盡層中的電場產(chǎn)生的電力足以將電子從共價鍵中撕裂，形成電子-空穴對時，就會發(fā)生齊納效應(yīng)。電場將空穴驅(qū)動到 p 型側(cè)，將電子驅(qū)動到 n 型側(cè)，從而在結(jié)上產(chǎn)生反向電流。
　　當(dāng)擊穿電壓較高時，就會產(chǎn)生雪崩效應(yīng)。在電場的影響下穿過耗盡區(qū)的熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子與晶格成員碰撞。通過高結(jié)電壓，它們獲得足夠的動能來破壞與其碰撞的原子中的共價鍵并產(chǎn)生電子空穴對。
　　同樣，電場將空穴驅(qū)動到 P 型側(cè)，將電子驅(qū)動到 N 型側(cè)。這些載流子的移動相當(dāng)于一個載流子穿過耗盡區(qū)。它們可以發(fā)生電離碰撞，以雪崩的方式產(chǎn)生新的電子空穴對。結(jié)果是形成許多能夠維持任何反向電流值的載流子，而結(jié)點上的電壓降有微小的變化。
　　當(dāng)硅中的電壓低于5V時發(fā)生擊穿，其機理是齊納效應(yīng)。在硅中，電壓高于 7V 時，就會發(fā)生雪崩擊穿。對于 5V 和 7V 之間的電壓，儀器可能使用任一機制或兩者的組合。
　　整改過程
　　圖 1 顯示 PN 結(jié)是非歐姆或非線性元件。造成這種現(xiàn)象的原因是組件上的電荷運動機制。一個值得注意的特征是結(jié)的伏安特性不對稱。然后，反轉(zhuǎn)電壓極性不會在相反方向產(chǎn)生相同的電流幅度。
　　圖6展示了當(dāng)向非線性元件施加幅度為V0的正弦諧波電壓時，輸入電壓和輸出電流的過程，并顯示伏安特性曲線。結(jié)果是非諧波的正弦電流，并且在 I1 和 -I2 之間變化。當(dāng)I1的幅度遠大于I2的幅度時，我們有一個整流過程。

　

　　圖 6.施加到非線性元件的正弦電壓。
　　如果我們向 PN 結(jié)施加正弦電壓，則反向偏壓 (Is) 的電流值與正向偏壓 (Id) 相比非常小。然后，PN結(jié)充當(dāng)整流器，讓電流沿一個方向通過，但不能反向通過。