【郑益慧】1. PN结的形成

1. 本征半导体

1.1 半导体

• 介于绝缘体和导体之间的物质

本征半导体：

是一种完全纯净的，结构完整的半导体晶体。也就是只有硅元素

1.2 半导体中的载流子

• 本征激发：半导体共价键的价电子并不会像绝缘体那样束缚的特别紧，受到温度影响，被束缚的价电子获得足够的随机热振动能量而脱离共价键的束缚称为自由电子。

自由电子在晶体中的运动，这种现象称为本征激发。

载流子

空穴和自由电子均属于载流子

空穴：自由电子离开了它原来的位置，留下的位置就是空穴

空穴可以在电场力的作用下进行依次填补，形成相对运动，空穴和自由电子一样也是载流子，本征激发越多，导电能力越好。

复合：当自由电子晶体中运动的过程中，恰好遇到了空穴，重新形成了共价键的价电子，那么自由电子和空穴结合的过程就叫做复合。本征激发的速度和温度决定了载流子的浓度。

杂质半导体

参杂了其他物质的半导体：如N型半导体/和P型半导体

典型的施主原子有五价原子磷、砷和锑，当一个施主原子磷加入硅半导体时后，其多余的电子易受热激发而成为自由电子。自由电子参与传导电流，它移动后，在施主原子的位置上留下一个固定的、不能移动的正离子，但半导体仍是电中性的。

N型半导体 （带负电）

• 掺入磷，磷元素为+5价（-3价），外部有5个自由电子，因此与硅元素结合，还剩了一个自由电子，因此半导体内就含有大量的自由电子。掺入的磷元素越多，自由电子就越多，因此导电能力就越强。

• 多子（－）：多个游离的自由电子就称为多子
• 少子（+）：少量的空穴就称为少子

由于多子是少子的几百万倍，也就是自由电子带负电，所以是N型半导体。

此时：温度对N型半导体的影响不大，因为本身的自由电子就已经很多很多，因此受温度影响产生的自由电子对于本身自由电子的数量而言不多。

但是对于少子，影响就比较大了，因为本身少子的基数就比较少。

总结一下：温度对多子的影响小，对少子的影响大。

P型半导体

：带正电，化学价正3价，与硅元素结合还剩一个空穴，因此加入的硼元素越多，空穴越多。

多子：空穴占大多数，带的是正电。

少子：自由电子（负电）

PN结

将两种半导体放在一块，就产生了PN结

红色圈表示：正离子

蓝色圈表示：负离子

绿色点：自由电子

红色点：空穴

扩散运动：从图中可以看出：由于N区的自由电子多，P区的空穴多，因此原子都会从浓度高向浓度低的地方扩散。而N自由电子（多子）就会和P区的空穴结合，因此两个交界处会形成一个空间电荷区。可以成为耗尽层，阻挡层，也成为PN结。

作用：阻止（多子）自由电子扩散到P区。但是也会有很少的自由电子冲破阻挡层。

空间电荷区：耗尽层、阻挡层、PN结。

漂移运动：虽然多子的扩散运动会被空间电荷区阻挡，但是当N区的少子（空穴）扩散到阻挡层，会瞬间（电场力的作用下）被拉到P区，P区的少子(自由电子)也是同理。少子在空间电场力的作用下的运动称为漂移运动。

多子的扩散运动和少子的漂移运动会达到动态平衡。

对称结与不对称结：在进行扩散运动之前，N区和P区的浓度相同得到时候，最终形成的空间电荷区两边的宽度是一样的，就是对称结，当N区和P区两边的浓度不一样的时候，浓度高得那边PN结窄，浓度低得那边PN结宽

因此PN结会因为P区和N区 浓度的不同呈现不同的宽度。

PN结单向导电性

• 外加正向电压（正向偏置）。

P区接正极，N区接负极。因此会形成从左到右的外电称。

原先空间电荷区的内电场是从右往左，那么这个电场力会削弱内电场的作用。

使得扩散运动加剧，电流指数性质迅速增，可以正向导电。加上一个电阻进行限流，最大电流等于U/R，防止PN结被烧坏。（电流从P到N）

• 外加反向电压。（反向偏置）

当加入的是反向电压时，结合正向电压的理解，会发现空间电荷区的电场作用更强了，扩散运动更难进行，所以电流很小，已经不导电了，但是空间电荷区的电场的增大，会使得漂移运动加剧，产生微小电流，但最终还是忽略不计。

室温：ut = 26mv 锗管/硅管U不同