PN 结与二极管：机理、模型和额定值

PN 结的单向导电来自载流子分布与结区电场。用二极管分析电路时，应把物理机理、简化模型和数据手册额定值分开：0.7 V 可以是某个计算模型的假设，不能代替实际器件的伏安曲线。

载流子、掺杂与耗尽区

半导体中的电子和空穴参与导电。热激发可以成对产生电子与空穴；光照也可能产生载流子，但光生过程不应直接称为热激发。载流子不断产生和复合，本征材料在热平衡下有 $n=p=n_i$，而掺杂材料中一般不再满足电子与空穴浓度相等。本征载流子浓度通常随温度显著上升，其关系由带隙等参数决定，不宜写成一个无条件的正指数规律。

P 型材料以空穴为多数载流子，N 型材料以电子为多数载流子；P、N 并不表示整块材料分别带净正电、净负电。通常远离结区的体材料近似电中性。

接触区域附近，多数载流子因浓度差扩散并复合，留下相对固定的离化杂质电荷：N 侧为正、P 侧为负，形成耗尽区，内建电场方向由 N 指向 P。耗尽区是移动载流子明显减少的区域，不是完全没有任何载流子。

热平衡时，每种载流子的扩散电流与漂移电流相互抵消，净电流为零。图末尾和原笔记的“偏置电压时，扩散电流＝漂移电流”不准确；施加偏置或光照后通常已离开热平衡。MIT 6.012 第 4 讲明确以热平衡的零净电流作为该抵消关系的条件。

在通常的 PN 结模型中，P 端相对 N 端加正电压会降低势垒、减小耗尽层宽度，形成较大的正向电流；反向偏置提高势垒、加宽耗尽层，但仍有反向漏电。超过适用范围还可能进入击穿，不能把反向工作一概当成严格零电流。

二极管伏安曲线怎样读

取阳极对阴极电压为 $v_D$、正向电流为 $i_D$。在合适工作范围内，常用指数关系描述其正向特性：

$$i_D\approx I_S\left(e^{v_D/(nV_T)}-1\right),\qquad V_T=\frac{kT}{q}.$$

其中 $I_S$ 是模型参数，n 是理想因子，T 用开尔文。该近似不涵盖所有大电流串联电阻效应、击穿或高速开关过程，也不能直接把手册规定条件下的反向漏电 $I_R$ 当成同一数值的 $I_S$。

图中正向电流按 mA、反向电流按 μA 标注，正反向电压刻度也不同。它用于说明趋势，不应按图上距离比较斜率。图注的硅管约 0.7 V、锗管约 0.3 V，以及较低的“开启电压”，都是粗略模型值，真实器件没有在某一固定电压突然从零电流跳到导通的硬阈值。

固定正向电流时，普通硅 PN 二极管的正向压降通常随温度升高而下降，反向漏电通常上升；图中的温度系数和“每 10 ℃ 翻倍”只是经验近似。实际趋势和数值要按具体型号、电流、反向电压与温度条件读取。

常用电路模型

模型	导通假设	截止假设与适用边界
理想开关	$v_D=0$、$i_D\ge0$	$i_D=0$、$v_D\le0$；忽略漏电和正向压降
恒压降	$v_D\approx V_\gamma$、$i_D\ge0$	低于模型开启条件时按开路处理；$V_\gamma$ 是选定近似值
分段线性	$v_D\approx V_\gamma+r_Di_D$	在选定电流区间近似曲线斜率；不等于全范围精确模型
指数模型	按上述指数关系求解	适合分析非线性变化，但仍有温度、注入水平和寄生效应的范围限制

原图理想截止子图写成 $v_D>0$，与其标注的阳极正、阴极负参考方向矛盾；正确条件是 $v_D\le0$ 且 $i_D=0$。在原点处两种状态描述的边界重合。

计算可先假定导通或截止，替换为对应模型求解，再核查所得电压电流是否满足假设。若导通模型算出反向电流，或截止模型算出明显的正向驱动，应换状态重算；多个二极管需联立检查。

数据手册中的额定值与测试条件

参数类别	应核对的内容
正向电流	持续电流 $I_F$、平均电流 $I_{F(AV)}$、重复峰值 $I_{FRM}$、非重复浪涌 $I_{FSM}$ 不是同一个量；符号按厂商定义
反向电压	重复峰值 $V_{RRM}$、允许反向电压 $V_R$ 与按规定电流测得的击穿电压 $V_{BR}$ 不同，不能统一按击穿值的 1/2～1/3 估算
正向压降与漏电	每个数值都带测试电流、电压和温度；典型曲线不等于最大值保证
开关特性	结电容、反向恢复时间与电荷、测试波形和负载共同影响适用频率；不能仅按“小电流/大电流”分成 MHz/kHz
热与封装	结温、耗散、热阻及引线或焊盘散热条件共同限制允许工作点

例如 Vishay 1N4148，文档 81857 Rev. 1.6分别列出持续、平均、重复峰值和浪涌电流，且同一器件在两组测试条件下给出不同的反向恢复时间上限。这说明选型时应读取完整条件，不能只摘一个“最大电流”或“最高频率”。

本页保留的三张原图是教学示意；图旁已更正理想截止符号和热平衡条件。器件连接、电流和热设计仍需回到具体数据手册。