第14章 半导体器件 (1)
半导体器件物理(详尽版)ppt
半导体 电阻率介于导体和绝缘体之间 。导体（电阻率小于10-8Ω·m）， 绝缘体（电阻率大于106Ω·m）。
晶体 自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶 体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。
1.1 半导体的晶格结构
五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构 ●面心立方结构 ●金刚石结构 ●闪锌矿结构
图中“● ”表示价带内的电子 ;图中“○ ”表示价带内的空穴。
思考
• 既然半导体电子和空穴都能导电，而导体只有电子导电，为什么半导体的导 电能力比导体差？
●导带底EC
导带电子的最低能量
●价带顶EV
价带电子的最高能量
●禁带宽度 Eg
Eg=Ec-Ev
●本征激发 由于温度，价键上的电子 激发成为准自由电子，亦 即价带电子激发成为导带 电子的过程 。
●价带
由价电子形成的能带，但半导体 材料价电子形成的低能级能带通 常称为价带。
●禁带宽度/Eg
导带和价带之间的能级宽度，
单位是能量单位：eV（电子伏特）
图1-6
导体、绝缘体、半导体的能带示意图
3~6eV
禁带比较窄，常 温下，部分价带 电子被激发到空 的导带，形成有 少数电子填充的 导带和留有少数 空穴的价带，都
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即 同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动；
常用半导体器件
1.特点：非线性
I
反向击穿 电压U(BR)
反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。
P– + N 反向特性
外加电压大于反向击 穿电压二极管被击穿， 失去单向导电性。
正向特性
P+ – N
导通压降
硅0.6~0.8V 锗0.1~0.3V
U
硅管0.5V, 开启电压
锗管0.1V。
外加电压大于开启 电压二极管才能通。
+ + ++ + + + + ++ + + + + ++ + +
P IF
内电场 N
外电场
+–
P接正、N接负
动画
内电场被 削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。
总目录 章目录 返回 上一页 下一页
PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。
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一、本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。
价电子
Si
Si
共价健
Si
Si
晶体中原子的排列方式
硅单晶中的共价健结构
共价键中的两个电子，称为价电子。
是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压， 一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。 二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。
半导体器件物理课后习题解答
半导体器件物理课后作业第二章对发光二极管（LED）、光电二极管（PD）、隧道二极管、齐纳二极管、变容管、快恢复二极管和电荷存储二极管这7个二端器件，请选择其中的4个器件，简述它们的工作原理和应用场合。
解：发光二极管它是半导体二极管的一种，是一种固态的半导体器件，可以把电能转化成光能；常简写为LED。
工作原理：发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少是不同的，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短；反之，则发出的光的波长越长。
应用场合：常用的是发红光、绿光或黄光的二极管，它们主要用于各种LED显示屏、彩灯、工作（交通）指示灯以及居家LED节能灯。
光电二极管光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性，但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。
工作原理：普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光，而电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。
光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子—空穴对，称为光生载流子。
它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流迅速增大到几十微安，光的强度越大，反向电流也越大。
这种特性称为“光电导”。
光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。
如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
1.1半导体基础知识
P、N两区杂质浓度相等——对称结 P、N两区杂质浓度不相等——不对称结 高掺杂浓度区域 用N+表示
离子密 度小
P
_ _ _ _ _ _
空间电荷 层较厚
+ + + + + +
N+
离子密 度大
空间电荷 层较薄
导电。
半导体－－导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。
大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。
半导体的几个重要特性： （1） 热敏特性
（2）光敏特性 （3）掺杂特性 半导体导电性能是由其原子结构决定的。
最常用的半导体材料
硅
锗
硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子
受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
二、 PN 结的单向导电性
PN结正向偏置—— 当外加直流电压使PN结P型半导体的一
端的电位高于N型半导体一端的电位时，称PN结正向偏置， 简称正偏。 PN结反向偏置—— 当外加直流电压使PN结N型半导体的一 端的电位高于P型半导体一端的电位时，称PN结反向偏置，
简称反偏。 正向偏置——PN结外加正向电压（P＋，N－）
杂质半导体有两种 N (Negative)型半导体 P (Positive)型半导体
一、 N 型半导体
掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体
掺入少量五价杂质元素磷 +4 +4 +4
P
+4
+4
+4
+4
+4
+4
电工学习题2014_下册
第 14 章半导体器件一、选择题1、对半导体而言，其正确的说法是( )。
(1) P 型半导体中由于多数载流子为空穴，所以它带正电。
(2) N 型半导体中由于多数载流子为自由电子，所以它带负电。
(3) P 型半导体和 N 型半导体本身都不带电。
2、在图 14-1 所示电路中，Uo 为 ( ) 。
(1) -12V (2) -9V (3) -3VR- 0V D Z11V 3kΩ-9VUo DZ2U o + + R- -图14-1 图14-2 图14-33、在图 14-2 所示电路中，二极管 D1、D2、D3 的工作状态为( ) 。
(1) D1、D2 截止， D3 导通 (2) D1 截至， D2、D3 导通 (3) D1、D2、D3 均导通4、在图 14-3 所示电路中，稳压二极管 Dz1 和 Dz2 的稳定电压分别为 5V 和 7V，其正向压降可忽略不计，则 Uo 为( ) 。
(1) 5V (2) 7V (3) 0V5、在放大电路中，若测得某晶体管的三个极的电位分别为 6V，1.2V 和 1V，则该管为( )。
(1) NPN 型硅管 (2) PNP 型锗管 (3) NPN 型锗管6、对某电路的一个 NPN 型的硅管进行测试，测得 UBE>0，UBC>0，UCE>0，则此管工作在 ( ) 。
(1)放大区 (2)饱和区 (3) 截至区7、晶体管的控制方式为( ) 。
(1)输入电流控制输出电压 (2)输入电流控制输出电流 (3)输入电压控制输出电压二、判断题1、晶体管处于放大区，其 PN 结一定正偏。
( )2、三极管由二极管构成的，三极管具有放大作用，故二极管也具有放大作用。
( )3、二极管正向导通，反向截止，当反向电压等于反向击穿电压时，二极管失效了，故所有的二极管都不可能工作在反向击穿区。
( )三、填空题1、若本征半导体中掺入某 5 价杂质元素，可成为，其多数载流子为。
若在本征半导体中掺入某 3 价杂质元素，可成为，其少数载流子为。
《电工学》14秦曾煌主编第六版下册电子技术第14章
(14-15)
§14.2 PN 结及其单向导电性
PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型 半导体和 N 型半导体，经过载流子的扩散， 在它们的交界面处就形成了PN 结。
(14-16)
内电场越强，漂移运动 就越强，而漂移的结果 使空间电荷区变薄。
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
结
构
N型硅
图
P型硅 N型硅
C (a)平面型
E 铟球
P B N型锗
P 铟球
C
(b)合金型
常见：硅管主要是平面型，锗管都是合金型
(14-38)
发射结 集电结
发射极
E
N PN
集电极 C
发射区 基区 集电区 B 基极
+4
在其它力的作用下， 空穴可吸引附近的电子 来填补，其结果相当于 空穴的迁移，而空穴的 迁移相当于正电荷的移 动，因此可认为空穴是 载流子。
自由电子：在晶格中运动；空穴：在共价键中运动
(14-10)
本征半导体中电流由两部分组成：
1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
心，而相邻四个原子位于四面体的顶点，每个原子与 其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。
硅和锗的晶 体结构：
(14-5)
硅和锗的共价键结构
+4表示除 去价电子 后的原子
+4
+4
+4
+4
共价键共 用电子对
(14-6)
+4
半导体器件习题及答案
半导体器件习题及答案(总14页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--1第1章 半导体器件一、是非题 (注:请在每小题后[ ]内用"√"表示对,用"×"表示错)1、P 型半导体可通过在本半导体中掺入五价磷元素而获得。
（ ）2、N 型半导体可以通过在本征半导体中掺入三价元素而得到。
（ ）3、在N 型半导体中，掺入高浓度的三价杂质可以发型为P 型半导体。
（ ）4、P 型半导体带正电，N 型半导体带负电。
（ ）5、N 型半导体的多数载流子是电子，所以它带负电。
（ ）6、半导体中的价电子易于脱离原子核的束缚而在晶格中运动。
（ ）7、半导体中的空穴的移动是借助于邻近价电子与空穴复合而移动的。
（ ）8、施主杂质成为离子后是正离子。
（ ）9、受主杂质成为离子后是负离子。
（ ）10、PN 结中的扩散电流是载流子在电场作用下形成的。
（ ）11、漂移电流是少数载流子在内电场作用下形成的。
（ ）12、由于PN 结交界面两边存在电位差，所以，当把PN 结两端短路时就有电流流过。
（ ）13、PN 结在无光照、无外加电压时，结电流为零。
（ ）14、二极管的伏安特性方程式除了可以描述正向特性和反向特性外，还可以描述二极管的反向击穿特性。
（ ）15、通常的BJT 管在集电极和发射极互换使用时，仍有较大的电流放大作用。
（ ）16、有人测得某晶体管的U BE =，I B =20μA ，因此推算出r be =U BE /I B =20μA=35kΩ。
（ ）17、有人测得晶体管在U BE =，I B =5μA ，因此认为在此工作点上的r be 大约为26mV/I B =Ω。
（ ）18、有人测得当U BE =，I B =10μA 。
考虑到当U BE =0V 时I B =0因此推算得到0.6060()100BE be B U r k I ∆-===Ω∆-（ ）二、选择题(注:在每小题的备选答案中选择适合的答案编号填入该题空白处,多选或不选按选错论) . 1、在绝对零度（0K ）时，本征半导体中_________ 载流子。
第14章 半导体器件
14.2
PN结及其单向导电性
1.PN结的形成 2.PN结的单向导电性 3.PN结的伏安特性
PN结是构成半导体器件的核心结构。 PN结是指使用半导体工艺使N型和P型半导体结合处所 形成的特殊结构。 PN结是半导体器件的心脏。
PN结的形成
在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的 杂质，分别形成N型半导体和P型半导体。
半导体中的两种电流
1.漂移电流：由载流子的漂移运动形成的电流。 漂移运动：由电场力引起的载流子定向运动。 2.扩散电流：由载流子的扩散运动形成的电流。 扩散运动：由于载流子浓度不均匀（浓度梯度） 造成的运动。 以上2种电流的方向与载流子的方向有关。 空穴电流的方向与运动方向一致。 电子电流的方向与运动方向相反。
第14章 半导体器件
14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 半导体的导电特性 PN结及其单向导电性 二极管 稳压二极管 双极型晶体管 光电器件
对于元器件，学习重点放在特性、参数、技术指 标和正确使用方法，不过于追究其内部机理。讨 论器件的目的在于应用。 学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况, 对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的 近似,以便用简便的分析方法获得具有实际意义 的结果。 对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标, 就不要过分追究精确的数值。工程上允许一定的 误差，可采用合理估算的方法。
14.1 半导体的导电特性
本征半导体 杂质半导体 半导体中的电流
物质按导电性能分类
导体（＞105） 绝缘体（ 10-22 ~10-14 ） 半导体，是指电阻率介于金属和绝缘体之间并有 负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率 约在10-9~ 102欧· 米之间，温度升高时电阻率指数 则减小。如硅、锗等，半导体之所以得到广泛应 用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的 影响十分显着。
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扩散和漂移 这一对相反的 运动最终达到 动态平衡，空 间电荷区的厚 度固定不变。
浓度差 形成空间电荷区
多子的扩散运动
扩散的结果使空间 电荷区变宽。 电气工程与自动化学院
14.2.2 PN结的单向导电性 1. PN 结加正向电压（正向偏置）
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14.3 二极管
二极管的结构示意图
金属触丝 N型锗片 阳极引线 阴极引线 N型硅 P 型硅 阳极引线 二氧化硅保护层
( a) 点接触型
铝合金小球 N 型硅
外壳
阴极引线
阳极引线 PN结 金锑合金 底座
( c) 平面型 D 阴极
阳极
阴极引线
( d) 符号
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
( b) 面接触型 图 1 – 12 半导体二极管的结构和符号 电气工程与自动化学院
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14.5 半导体三极管
14.5.1 基本结构
B E 二氧化碳保护膜 N型硅 B N型锗 P 铟球 C (b) 晶体管的结构 (a)平面型； (b)合金型 电气工程与自动化学院
三层、三区，两结结构
E P 铟球
P型硅 N型硅 C (a)
三层、三区，两结结构
14.5 半导体三极管
集电结 P N 集电极 发射极 E C 发射结 P N 集电结 P 集电极 C
发射结 发射极 E N 发射区 C
B 基极
基区 集电区 C N P N
发射区 C
基区 集电区 B 基极 C
IB
B
IC
B
IB
B T
IC
B
T E
P N P E
IE (a)
IE
E
E
(b)
晶体管的结构示意图和表示符号
(a)NPN型晶体管； (b)PNP型晶体管 电气工程与自动化学院
结构特点：
集电区： 面积最大 集电结 基极 B 发射结
Si
Si
空穴
温度愈高，晶体中产生的自由 价电子 电子愈多，导电能力愈强。
自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填 补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合 价电子填补空穴，形成空穴电流 电气工程与自动化学院
本征半导体的导电机理
当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出 现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 →电子电流 (2)价电子递补空穴 →空穴电流 自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对产生的同时，又不断复合。当 达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。
温故而知新
1. 在杂质半导体中多子的数量与 a （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与 b （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 3. 当温度升高时，少子的数量 c （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。 4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 b ，N 型半导体中的电流主要是 a 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）
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第14章 半导体器件
第14章 二极管和晶体管
14.1 半导体的导电特性 14.2 PN结及其单向导电性 14.3 二极管 14.4 稳压二极管 14.5 三极管 14.6 光电器件
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第14章 二极管和晶体管
本章要求： 1.掌握半导体、本征半导体、杂质半导体的概念及特 点； 2. 理解PN结的形成过程，掌握PN结的导电特性； 3.了解二极管、稳压管的基本构造，掌握二极管的导电 特性和伏安特性曲线； 4.掌握三极管的电流分配和电流放大作用、放大条件、 特性曲线及主要参数； 5. 会分析含有二极管的电路； 6. 会判断三极管的类型和电极。
ui t ui
RL
uo
uo t
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例3：已知：管子为锗管，VA = 3V，VB = 0V。导通压 降为0.3V，试求：VY = ?
DA DB R -12V
解： 方法：先判二极管谁优先导通，
VY
VA VB
导通后二极管起嵌位作用 两端压降为定值。 因：VA > VB 故：DA优先导通 若：DA导通压降为0.3V 则：VY = 2.7V DB截止
14.3.2 伏安特性
特点：非线性 反向击穿 电压U(BR) 反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。 I 正向特性 P + – N
硅0.6~0.8V 导通压降 锗0.2~0.3V U 死区电压 硅管0.5V 锗管0.1V
P
–
+N
反向特性 外加电压大于死区 电压二极管才能导通。
外加电压大于反向击 穿电压二极管被击穿， 失去单向导电性。
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2. PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
PN 结变宽
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
P
IR
内电场 外电场
N
–
+
内电场被加 强，少子的漂 移加强，由于 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。
本征半导体导电特点： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就 愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。 电气工程与自动化学院
14.1.2
N型半导体和 P 型半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）, 形成杂质半导体。 在常温下即可 变为自由电子 掺入五价元素
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二极管电路分析举例
（1）选择参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的 电位，如果输入信号是交流信号，则需分段讨论。 （2）判断二极管工作状态（导通or截止），若有多个二极 管且互相影响，则正向压降最高的优先导通。
若 V阳 >V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 <V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止
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14.1 半导体的导电特性
半导体的导电特性：
热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强 导电能力介 于导体和绝 (可做成温度敏感元件，如热敏电阻 )。 缘体之间 光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。
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14.3 二极管
14.3.1 基本结构 (a) 点接触型 结面积小、 结电容小、正 向电流小。用 于检波和变频 等高频电路。 (b)面接触型 结面积大、 正向电流大、 结电容大，用 于工频大电流 整流电路。
硅管 锗管
(c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可 小，用于高频整流和开关电路中。
– Si B
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。
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1. 在杂质半导体中多子的数量与 a （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与 b （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 3. 当温度升高时，少子的数量 c （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。 4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 b ，N 型半导体中的电流主要是 a 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）
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14.1.1
本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。
价电子 Si Si
Si 共价健 晶体中原子的排列方式
Si
硅单晶中的共价健结构
共价键中的两个电子，称为价电子。
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自由电子 本征半导体的导电机理 价电子（获得一定能量）
Si Si
自由电子（带负电） 空穴（带正电） 这一现象称为本征激发。
Si Si
p+ Si
Si
多 余 电 子
掺杂后自由电子数目 大量增加，称为电子半导 体或N型半导体。
失去一个 电子变为 正离子
磷原子
在N 型半导体中自由电子 是多数载流子，空穴是少数 载流子。
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14.1.2
N型半导体和 P 型半导体 掺入三价元素
Si Si
空穴 掺杂后空穴数目大量 增加，称为空穴半导体 或 P型半导体。 在 P 型半导体中空穴是多 数载流子，自由电子是少数 载流子。
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14.2 PN结及其单向导电性 14.2.1 PN结的形成 空间电荷区也称 PN 结
少子的漂移运动 P 型半导体
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － －
内电场越强，漂移运 动越强，而漂移使空间 电荷区变薄。
内电场 N 型半导体
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小， 反向电阻较大，PN结处于截止状态。 温度越高少子的数目越多，反向电流越大。
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结论
1、PN 结具有单向导电性。 2、PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。 3、PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较 小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。 4、温度越高少子的数目越多，反向电流将随温 度的升高而增加。