无线电晶体或方铅矿形式的天然半导体早已为人所知。水晶收音机在无线电早期非常流行。无线电探测器主要采用方铅矿，这是一种结晶矿物，是硫化铅（一种非金属）的天然形式。检测器将天线接收到的交流信号转换为直流（具有整流特性），并解调调幅信号。现在，具有这种特性的元件被称为二极管。
　　方铅矿的价带和导带之间的能隙很小，约为 0.4 eV。方铅矿还含有少量杂质，可以使受激电子跃入导带并导电。方铅矿无线电不需要外部电源来实现这一点。水晶收音机影响了 20 世纪无线通信在范围内的扩展。
　　对传导机制的进一步了解使得我们可以用当今优化的半导体来取代这些原始的整流形式。
　　本文将重点关注 pn 结作为许多半导体器件的主要示例。
　　PN整流结

　　PN结是一种整流二极管，因为它具有不对称的电流/电压特性，允许电流仅沿一个方向流动。一个例子是将交流电转换为直流电。

　　图 1 显示了硅 PN 结的 IV 特性。
　　具有反向偏置的 PN 结

　　将电池 (DC) 的负极端子连接到 PN 结的 P 型侧，将正极端子连接到 PN 结的 N 型侧时，会发生反向偏压，从而使 N 型侧比 P 型侧更正极。图 2 显示了电荷载流子对施加反向偏置电势的反应。

　　图 2. 反向偏压的电子和空穴分布。
　　连接极性导致 P 型侧的空穴和 N 型侧的电子远离结，分离正电荷和负电荷（极化），并使结周围更大的区域没有移动电荷载流子。
　　负电荷区域进一步向结点左侧扩展，正电荷区域进一步向结点右侧扩展。
　　实际上，由于热能在整个晶体中产生少量空穴电子对，因此会流过小电流。N 型侧形成的空穴和 P 型侧产生的电子将漂移到结。该过程会产生反向饱和电流 (IS)，该电流会随着温度的升高而增加，并且与反向偏压的大小无关。因此，结的反向电阻随着温度的升高而降低。
　　反向饱和电流约为几 ?A，通常为 nA（大功率器件除外）。它很快达到水平，并且不会随着反向偏置电势的增加而发生显着变化——这就是术语饱和的原因。
　　解释反向传导机制的另一种方法是考虑未施加电压 (V0) 时结点上的势垒以及使用反向偏置电势 V 的影响。
　　由于大量自由电子被吸引到电池的正极端子，N型侧将增加耗尽区中未被覆盖的正离子的数量。由于大量的空穴被吸引到电池的负极端子，P型侧将增加耗尽区中未被覆盖的负离子的数量。结果是耗尽区变宽，多数载流子需要克服的势垒更高。反向偏置电势增加到势垒电压，将有效势垒电压增加到V0+V。
　　增加的势垒高度减少了多数载流子的流动、扩散到n型侧的空穴数量以及扩散到P型侧的电子数量。额外的势垒高度不会影响少数载流子的流动（P 型侧的电子和 n 型侧的空穴），因为它们会从山上掉下来。
　　总而言之，扩散电流 Id 显着降低。一伏左右的反向偏置电压足以消除 Id。那么，流过结点和外电路的电流就是电流Is。回想一下，这是由于少数载流子（热产生的）漂移穿过耗尽区而产生的电流，IS 将非常小并且严重依赖于温度。
　　图3显示了具有反向饱和电流方向的整流器（二极管）符号，图1的左半部分显示了反向偏置条件下的伏安特性。

　　图 3. Is 的反向偏置极性和方向。
　　具有正向偏置的 PN 结
　　当将电池的正极端子连接到 PN 结的 P 型侧、将负极端子连接到 PN 结的 N 型侧时，会发生正向偏压，从而使 P 型侧比 N 型侧更具正极性。图 4 显示了电荷载流子对施加正向偏置电势的反应。

　

　　图 4. 正向偏压的电子和空穴分布。
　　电池的正极端子排斥空穴，而负极端子排斥电子。然后，多数载流子、N型侧的电子和P型侧的空穴行进到结。当空穴和电子相遇时，它们会重新结合，从而相互消灭。这个过程减少了耗尽区的宽度，产生了穿过结的多数载流子的大量流。
　　施加的正向电压 V 扰乱了初在倾向于产生多数载流子扩散的力与结处势能势垒的抑制影响之间建立的平衡。正向电压降低了结处势垒的高度，导致耗尽区上的势垒电压为 V0?V。
　　较低的势垒电压使得更多的空穴从P型侧扩散到N型侧，并且更多的电子从N型侧扩散到P型侧。大量电荷载流子流过半导体流向结，产生低电阻和可观的电流。因此，扩散电流Id大幅增加。
　　少数载流子流（电子从 p 型侧到 n 型侧以及空穴从 n 型侧到 p 型侧）的大小不会改变。然后，Id变得比反向饱和电流Is大多个数量级。
　　电流Id沿结点正向流动，如图5所示。

　

　　图 5. 正向偏置极性和 Id 方向。
　　增加所施加偏压的幅度会减小耗尽区的宽度。它使电流呈指数上升——如图 1 伏安特性的右半边所示。
　　连接点故障
　　施加在介电材料上的高强度电场可能会突然将大量电子激发到导带内的能量，导致通过介电材料的电流急剧增加。这种现象有时伴随着燃烧、局部熔化或汽化，产生不可逆的材料降解和失效。介电强度或击穿强度是引起击穿的电场强度。
　　在 PN 结中，热产生的载流子可以支持较小的反向饱和电流，等于 Is。假设我们施加大于 Is 的反向电流。与之前一样，结处势垒的高度不断增加，直到 Id = 0，穿过结的载流子是热产生的载流子。但这些运营商只能支持当前的Is。
　　当我们增加反向电压时，耗尽区变宽，并且我们达到足够高的结电压，其中新的机制进入以支持所施加的电流。这种新机制就是结点击穿。
　　高结电压是击穿电压（VBR）或齐纳电压（Vz??）。在该反向偏置电压下，会流过巨大的反向电流，如图 1 的左半部分所示，伏安特性发生显着变化。
　　观察到反向电压的增加，而反向电流显着上升——结点上的反向电压保持非常接近值 VZ。
　　只要结具有足够的功耗能力以在击穿区域工作，结击穿就不是破坏性现象。因此，pn结可以经常工作在击穿区而不损害其特性。实际应用是雪崩、击穿或齐纳二极管。
　　PN 结击穿的两种机制是齐纳效应和雪崩效应。
　　当耗尽层中的电场产生的电力足以将电子从共价键中撕裂，形成电子-空穴对时，就会发生齐纳效应。电场将空穴驱动到 p 型侧，将电子驱动到 n 型侧，从而在结上产生反向电流。
　　当击穿电压较高时，就会产生雪崩效应。在电场的影响下穿过耗尽区的热产生的少数载流子与晶格成员碰撞。通过高结电压，它们获得足够的动能来破坏与其碰撞的原子中的共价键并产生电子空穴对。
　　同样，电场将空穴驱动到 P 型侧，将电子驱动到 N 型侧。这些载流子的移动相当于一个载流子穿过耗尽区。它们可以发生电离碰撞，以雪崩的方式产生新的电子空穴对。结果是形成许多能够维持任何反向电流值的载流子，而结点上的电压降有微小的变化。
　　当硅中的电压低于5V时发生击穿，其机理是齐纳效应。在硅中，电压高于 7V 时，就会发生雪崩击穿。对于 5V 和 7V 之间的电压，仪器可能使用任一机制或两者的组合。
　　整改过程
　　图 1 显示 PN 结是非欧姆或非线性元件。造成这种现象的原因是组件上的电荷运动机制。一个值得注意的特征是结的伏安特性不对称。然后，反转电压极性不会在相反方向产生相同的电流幅度。
　　图6展示了当向非线性元件施加幅度为V0的正弦谐波电压时，输入电压和输出电流的过程，并显示伏安特性曲线。结果是非谐波的正弦电流，并且在 I1 和 -I2 之间变化。当I1的幅度远大于I2的幅度时，我们有一个整流过程。

　

　　图 6.施加到非线性元件的正弦电压。
　　如果我们向 PN 结施加正弦电压，则反向偏压 (Is) 的电流值与正向偏压 (Id) 相比非常小。然后，PN结充当整流器，让电流沿一个方向通过，但不能反向通过。