1.非本征半导体

（1）非本征N型半导体(非本征即掺杂的、不纯净的)
Si为14族元素，我们可以添加13族或15族的元素使其变为非本征半导体，这里我们选15族的P使其变为非本征N型半导体。P有5个电子，Si有4个电子，而P有可能会取代某个Si原子：

此时P的四个电子会和相邻的硅原子形成共价键，多出的那一个电子称为施主杂质。

选15族而不是16族元素(电子更多)的原因是，15族元素的施主能级离导带更近，即P多出的那一个电子更容易(在室温下就能)被激发到导带。

（2）非本征P型半导体
同理，向Si中添加13族会使其变为P型半导体。这里以B为例，它有3个电子，同样地其有可能会取代某个Si原子。

很明显B会少一个电子，而Si中其它已经形成共价键的电子有可能会填补那个少的电子，从而在另一个共价键少一个电子。B获得电子变为B-。此时空穴比电子多得多，称为P型半导体。
（3）非本征半导体中的少子
以N型半导体为例，掺杂元素成分很少，然后才到下一个P原子。所以掺杂的P几乎不会影响原有的能级结构，但会让电子远多于空穴。
以一个1cm³的Si原子为例，假设：

电子数量=空穴数量≈10¹⁰
Si原子数量≈10²²
一个P原子周围有10⁶个Si原子

所以会有10¹⁶个P原子，而一个P原子会贡献一个电子，这意味着此时N型非本征半导体中的电子的数量为10¹⁶+原有的10¹⁰≈10¹⁶，但此时空穴的数量并不是10¹⁰，下面来分析一下：
在本征半导体中电子和空穴随时在通过热能产生，而产生率是温度的一个函数f(T)，产生的电子和空穴会相互结合，其正比于电子数和空穴数的乘积，即10¹⁰*10¹⁰=10²⁰，即在热平衡时f(T)=K*10²⁰。
在非本征半导体中同样会通过热能产生电子和空穴，但是温度不变，所以f(T)=K*10²⁰不变，此时K*10²⁰=K*10¹⁶*P，其中P为空穴的数量，等于10⁴。
总结：掺杂很少的P原子，不仅让电子增加了100万倍，还让空穴减少了100万倍。

2 PN结

2.1 原理

在一个晶体中一遍放置P型半导体，一边放置N型半导体。此时两边并不会相互吸引，因为空穴并不是粒子，而是没有电子的空位，所以空穴不能吸引电子。我们可以把空穴和电子想象为气体，从高浓度扩散到低浓度，即空穴往右扩散，电子往左扩散，但是二者只能在非常靠近结合的位置扩散。接着中间部分的空穴和电子会复合并湮灭。

上面用气体的比喻仅用于理解，但我们讨论的是带电粒子，实际情况是上面的PN结不会像气体一样再继续扩散并结合。这是因为中间的载流子被破坏，所以B-离子和P+离子就暴露出来了，它们是不能动的。此时如果右边的电子想扩散到左边，则会被B-所排斥；左边的空穴想扩散到右边，则会被P+所排斥，这样就建立了一个扩散屏障。而有些粒子可能有足够大的能量，可以在斥力之下仍然扩散，那么这个屏障会越来越大，使得扩散更加困难。
扩散并不会停止，而是总会有电子和空穴有足够的能量越过这个屏障：别忘了两边的少数载流子，即P型半导体中有少量的电子，N型半导体中有少量的空穴。假设P型半导体中的一个电子移动到了中间部分，则它会被吸引到N型半导体。所以对于多数载流子来说，中间的屏障起来阻碍扩散作用，而对于少数载流子来说，中间的屏障起到帮助扩散的作用。所以整个过程先是中间部分的载流子复合湮灭，建立屏障，接着主要是少数载流子流动，最终会达到一个平衡点。

2.2 扩散、漂移和势垒电压

现在来讨论一下电流：多数载流子的扩散形成从P到N的扩散电流diffusion current，而少数载流子的扩散形成从N到P的漂移电流drift current，之所以叫漂移电流，是因为中间的B-和P+离子形成了电场，在电场的作用下“漂流”。由于达到了平衡，所以扩散电流要等于漂移电流，即从P到N扩散的电子数量与从N到P扩散的空穴数量相同。

左右两边为中性，中间为耗尽区(电子或空穴不可能停在这个区域)，一个正电荷从左到右扩散，其动能要大于中间电场造成的势能变化。中间部分就称为势垒电压barrier voltage，Si在室温下的势垒电压为0.7V。即没有加电压时，整个导体处于平衡态，PN结之间有一个UNP=0.7V的电位差，将P接正，N接负时，需要电压大于0.7V才能正电荷才能通过中间的屏障。

2.3 正反向偏置

（1）正向偏置
现在在PN结两端接上电池，正极接P端，负极接N端，此时扩散电流会大于漂移电流。可以认为电池降低了势垒的能量，同时还会减小中间耗尽区的宽度，直到电压为0.7V时，中间的耗尽区就“消失”了。

（2）反向偏置
同理，反向偏置增大的耗尽区的宽度，此时扩散电流会减少到0，但漂移电流不会因为耗尽区的增大而增大，而是几乎不变(下面第4个问题)。由于漂移电流非常小，接近于0，所以反偏时，PN结接近于一个绝缘体。

现在来考虑几个问题：
（1）如果正好加了0.7V电压，空穴刚好能越过中间的屏障，但是之后似乎就没有动能了，它是怎么在回路中流动的呢？
左边空穴浓度高，右边低；右边电子浓度高，左边低。就像房间内的气体会扩散到整个房间一样，电子也会扩散。
（2）会不会扩散到左右两边空穴或电子的浓度相同，然后停止扩散？
不会。当空穴刚越过屏障从P扩散到N时，空穴不会因为扩散继续运动到另一边，因为N型半导体中有很多的电子，电子会和空穴复合并湮灭。即最左侧的空穴最多，最右侧只有很少的空穴到达。这就保证了扩散不会停止。

（3）电流/电子是怎么传导的？
少量能到达右侧的空穴与右侧导电金属板中的复合，然后金属板就从导线(电池负极)中获得一个电子。最终从左边金属板获得一个电子，其又释放一个空穴到P型半导体中。也就是说在右侧金属板损失的空穴，都会在左侧金属板获得。这就是其能够传导电流的原因。
（4）反偏时增大电压，漂移电流为什么不变？
反偏时假设右侧金属板获得一个空穴，接着空穴迅速和电子复合并湮灭。接着由于电荷平衡和热平衡，在N型半导体的其它某一位置会产生一个电子，它可能再次复合。所以反偏时空穴并不是那么容易经过耗尽区的，而是当因热产生的空穴正好产生在耗尽区时，空穴才不会被复合而顺利地通过耗尽区。假设因热每秒在耗尽区产生5个空穴，左侧金属板就会接收5个空穴。而如果将反偏电压增大，虽然在耗尽区产生的空穴会更快地通过，但是每秒因热产生的空穴不变，所以电流不变。所以如果要提高电流，应该提高温度或用光照射。

2.4 PN结的二极管特性

1、正偏：当电压大于0.7V时，即使是很小的电压变化，也会造成很大的电流变化。而在这之前电流增长的很慢。
2、反偏：(漂移)电流非常小，且基本不变。

图中FB为正向偏置(Forward Bias)，RB为反向偏置（Reverse Bias）

PN结击穿
当反向电压增大，耗尽区增大，同时电子和空穴会获得更大的加速度和动能。

通常情况下，电子在热能的作用下会从共价键进入导带。而如果电子有足够大的动能，它可能会撞到共价键中的电子，将其撞到导带，这样就得到了两个电子和一个空穴，这个现象称为撞击电离(Impact Ionization)。就这样碰撞下去，可能在一秒之内，会产生几十亿个电子和空穴。少数载流子的数量急剧增长，电流也就会变得非常大。
这种现象就称为雪崩效应(Avalanche Effect)。电流开始急剧增长时的电压称为击穿电压(breakdown voltage)，而由于击穿时电子间的碰撞，导致产生很多的热量，这可能会溶化二极管，致其损坏。

3 应用

3.1 全波整流

变压器需要有中心抽头(Center tap)，则可用两个二极管实现全波整流。其它情况下可用4个二极管的整流桥整流。

3.2 齐纳二极管(Zener Diode)

齐纳二极管一种高掺杂二极管，反向击穿现象称为齐纳击穿。高掺杂的二极管与传统二极管的区别主要在耗尽区的不同，由于掺杂多，耗尽区的B-和P+会非常密集，同时由于更窄的区域就能阻止电荷流动，所以耗尽区会变窄。由于E=U/d，所以加上同样的反向电压大小，而在更窄的耗尽区中，内建电场强度的增加也会更快。
给齐纳二极管加上反向电压后，由于耗尽区很窄，所以在耗尽区的撞击电离现象发生的几率会变小。但是由于电场足够强，强到其能够直接把电子从共价键中拉出来，从而形成很大的电流。这种机制称为齐纳机制，反向击穿称为齐纳击穿。所以这里的反向击穿不是因为雪崩效应，而是因为强电场，由于这里没有发生碰撞，所以几乎不会发热，不会损坏二极管。由于强电场，其在更低电压就会发生击穿现象：

为什么普通掺杂PN结中的内建电场不能将共价键中的电子拉出来，而高掺杂的可以？
如下左图所示，将共价键电子想象成一座山，中间的电子需要其它电子撞击给其一个动能越过去，即共价键断裂。再来看右图，齐纳二极管中的耗尽区很小，所以山的高度没变，但是变窄了，此时电子会直接从山中直线穿过，这是量子力学，不能用牛顿定律的经典力学(电子要翻越山)解释。这种效应称为量子隧穿效应(Quantum tunneling effect)，也是齐纳二极管的原理。这里不讨论为什么会发生这个现象，实际上它于电子的二象性有关，是概率问题。
那么为什么普通掺杂的PN结不会发生量子隧穿效应呢？ 隧穿效应取决于斜率和宽度的大小，斜率越大、厚度越小，隧穿的机会越大。

应用：
齐纳二极管的电路符号如下图所示，左边为“Z”字型，表示Zener二极管。

假设击穿电压为2V，则在0V~2V之间，电流非常小，相当于开路；一旦电压达到2V，电流非常大，相当于短路。有一个不稳定的电源，能提供1~5V的电压，图中绿色直线为齐纳二极管，而LED的电压不能超过2V。

当电压小于2V，齐纳二极管短路，直接给LED供电
当电压大于2V，齐纳二极管两端分压2V，剩下的电压给电阻，则LED两端电压稳定为2V

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