二极管单向导通原因解析

以前学习二极管时，只知道二极管单项导通，但并未对其中的原因进行深入思考，前两日，突然又想到了这个问题，用了几天时间，终于想通了该问题，希望与大家交流，如有错误，欢迎指正。
若想彻底搞清楚该问题，首先要搞清楚电流产生的条件，个人认为，电流产生需要3个条件：

1. 有电势差；
2. 有自由电子;
3. 允许电子通过的导体.

这里主要分析第2, 3条，第2,3条的意思是，如果没有自由电子和导体, 即时有电势差的存在, 也不会有电流.
导体想要导电，必须允许自由电子通过, 只有在这种情况下，导体中自由电子才会在电场力作用下流向电源正极，然后电源中的电子在电动势作用下从负极流入导体， 在整个过程中，电源整体呈中性。

当外部电源正接半导体，电子从负极流入N区，而N区有自己的自由电子，它们可以向P区流动，现在产生了一个问题, 当电子流入P区后, 自由电子会占据P区中的空穴,从而转变为非自由电子, 这样, P区的不再满足弟2个导电条件(P区缺少自由电子, 这部分缺少自由电子的区域就是PN结), 按理说P区不应该导电才对, 但事实上P区仍然导电, 为什么?
这就是涉及另外一个问题，P区空穴中的’电子’是如何离开空穴的？是不是因为电势差/电场力才导致空穴中电子离开？

答案是否定的，电场力/电势差并不会令P区空穴中的电子离开，空穴的电子只能因为其它电子的’撞击’而离开, 这是因为电场力/电势差仅对’自由电子’有效, 一旦电子占据P区中的空穴, 就不再是自由电子, 因此电场力对P区空穴中的电子无效.

实际上，电源正接半导体时，电子从负极流入N区，N区中的自由电子+电源流入的电子撞击P区空穴中电子，空穴中的电子离开后又再次转变为自由电子, 满足了导电的弟2个条件, 所以P区才可以导电. 当然, 虽热P区的空穴总是会将自由电子转变为非自由电子, 但只要流入的自由电子数量足够多, 就会不断撞击P区空穴中电子, 将其转变为自由电子, 令P区始终满足弟2个导电条件, P区才又重新变成导体.

电源反接半导体时，电源中的电子从负极流入P区，填满P区的空穴，因为电子携带负电荷, 因此相当于P区累积了负电荷(注意, P区空穴中没有电子填充时呈中性), 而电荷会产生电场, P区电场会对流入的电子产生反向作用力, 阻止(自由)电子从负极流P区, 没有自由电子流入P区, 那么P区空穴中的电子无法受到自由电子的撞击而再次变成自由电子, P区中没有自由电子, 无法满足导电的弟2个条件, 所以不会产生电流, 从而实现了二极管单向导通的目的。

当然，二极管反接电源时，并不是说绝对没有一个电子从负极流入P区，实际上还是有少量电子流入P区的，撞击空穴中的电子，令P区出现自由电子, 然后再通过N区流入电源正极，产生电流, 只不过这里的电流非常微弱，忽略不计而已。

P区中空穴数量终究有限, 累积的负电荷数量同样有限, 电场力强度也会受到限制, 随着外部电源电压增加, 电源产生的电场力逐渐大于P区电场力, P区电场力逐渐被抵消, 单位时间内从电源负极流入P区的电子越来越多, 撞击P区空穴中的电子令其转变为自由电子, 这样自由电子又会撞击其它空穴中电子, 这样P区中的自由电子数量越来越多, 满足了导电的弟2个条件, 这些自由电子在外部电场力的作用下向着N区运动, 继而流向电源正极, 形成电流, 这其实就是反向击穿过程。

下面分析一个现象: 正接时，二极管在电源电场力作用下，N区电子在外电场力作用下克服PN结产生的内电场力，能够将PN结空穴中电子“撞离”空穴，从而令二极管导通。按照这样的理解，反接时，电子从电源流入P区，在同样电场力的作用下，流入P区的电子也应该能够克服PN节产生的内电场作用力，从而令二极管导通，但事实上二极管没有导通，为什么？

笔者认为与“电流”大小（也就是流入P区自由电子的数量）有关系。

在分析之前，先说几个知识点：

1. 无论电源电压有多大，单个电子的移动速度不会改变，其蕴含的动能也不会改变。
2. 二极管阻抗源于P区内电场大小，本质上源于“空穴吸引电子的共价键作用力”。
3. 二极管导通的本质是P区“单位时间内，离开空穴的电子数量 > 进入在空穴中的电子数量”。
4. 二极管不导通的本质是P区“单位时间内，离开空穴的电子数量 < 进入在空穴中的电子数量”。

先分析电源正接到二极管的情况，这种情况下，整个N区的自由电子都会受到电场力的作用向P区移动，只要外电场能够克服内电场，单位时间内会有足够多的P区空穴中的电子被“撞离”空穴，转变为自由电子，令P区导通，其本质是“单位时间内，离开空穴的电子数量 > 进入在空穴中的电子数量”，宏观上看，P区存在自由电子，二极管导通。

电源反接是会发生什么样的情况呢？

反接电源的瞬间，P区不存在自由电子，呈现高阻态，P区不导通。

那么什么时候P区才会出现自由电子呢？答案是必须等待N区中的自由电子通过电源、导线流入P区才行。这是因为电源/导线本身所属的电子是不会流入P区的(因为无论导线还是电源必须整体呈中性，也就是说其本身不会失去自由电子)。

接着往下思考，N区中的自由电子会不会在反接电源的瞬间全部流入P区？肯定是不可能，无论反接电源的电压有多大，二极管的电流也不可能瞬间从0一下子跳到最大值，中间肯定有一个从小到大的变化过程，无论这个过程时间有多短，该过程都会存在，这是物理法则决定的。这就导致了一个结果，在同样的外电场力作用下，反接电源到二极管时，一开始流入P区的电子数量不够多，这些电子首先会被P区空穴吸引（单个电子所蕴含的动能与电场力强度无关，所以电子流入P区的第一时间内总会被空穴吸引，当然前提是必须存在空穴），令P区的内电场增强（别忘了，此时PN结仍然存在，内电场也存在），如果外电场作用力小于这个增强的内电场，N区中的自由电子不会再流入P区，导致“单位时间内，离开空穴的电子数量 < 进入在空穴中的电子数量”， 宏观上看，二极管不导通。此时就需要继续增强外电场，直到能够克服此时的P区内电场，但随着外电场增强，流入P区的电子数量增加，进入空穴中的电子数量也会增加，P区内电场继续增强，换句话说，P区内电场随着电源电压增大而增强，直到P区所有的空穴被填满，P区内电场达到最大值，其阻抗也达到最大。若继续增强外电场，来自N区的自由电子已经没有空穴可“进入”，只能将P区空穴中的电子“撞离”，P区出现自由电子，从而变得导通，也称为反向击穿。其实，反向击穿的本质是“单位时间内，离开空穴的电子数量 > 进入空穴中的电子数量”，宏观上看，P区总是存在自由电子，二极管被反向击穿而导通。

所以，二极管反向击穿电压 > 二极管正向导通电压，是因为二者电压相同时，前者无法在单位时间内无法流入P区足够多的自由电子，无法达成“单位时间内，离开空穴的电子数量 > 进入在空穴中的电子数量”这个条件，从而使得P区不存在自由电子而不导通。

对二极管施加的反向电压 > 反向击穿电压，P区导通，反向电压越大，单位时间内流入P区中的自由电子数量越多，宏观上来看，P区阻抗越小，电流越大，直到P区所有空穴中的电子都被“撞离”，P区阻抗降低到最小，二极管产生的电压降也成为饱和压降。如果继续增大反向电压，能够令P区本身的电子脱离原子核束缚变成自由电子，此时称为雪崩击穿，虽然其本身不会损坏二极管，但雪崩击穿会产生热量，导致二极管被烧毁。