P型半导体，N型半导体，PN结原理简述

前置知识：

半导体器件是构成各种电子电路的基础。而半导体的器件主要是由半导体材料制成的：如硅和锗。

为什么要使用半导体材料作为器件？

这就跟半导体的特性相关，需要一些初高中的化学基础：在元素表中，元素周期表左边的元素（带金字旁的）被称为金属，右边的被称为非金属。

金属：导电性和导热性好。
非金属：不易导电和导热。

硅和锗的电学特性介于金属和非金属之间。在硅和锗的晶体中，每个原子和周围的4个原子以共价键的形式紧密的联系在一起，形成整齐的晶格。

那金属元素是怎么导电的？

以元素的原子结构示意图来表示：

原理简述：

最外层8个电子的结构叫做稳定结构(特殊的是稀有气体中的氦是最外层2个电子)。
金属原子最外层电子数<4易失电子。
非金属原子最外层电子数≥4 容易得到电子，化学性质不稳定。4个电子正好是8个的一半，是一个比较稳定的结构，所以很难得或失电子，形成化合物时一般是共价键（如二氧化硅SiO2）。

金属例如钠元素：由钠元素的原子结构示意图可知该原子的最外层电子数是1，小于4，所以在化学反应中易失掉去电子（电子带负电），形成钠离子，带1个单位的正电荷。

而对于非金属的元素，如磷P，最外层电子数是5，大于4，在化学反应中得到电子，带3个单位的负电荷。

作为半导体的材料硅Si和锗，在硅和锗的晶体中，每个原子都与周围的4个原子以共价键的形式紧密的联系在一起，形成整齐的晶格，如下图：

其他重要概念：

1.空穴：在一定的温度下，硅晶体形成一个自由电子的同时会产生一个空穴，即空穴和电子成对出现，如下图：

2.本征半导体：纯净，不含杂质，晶格完整的半导体被称本征半导体。

在本征半导体中，晶体的共价键的结合力很强，在热力学温度T=0K（相当于-273℃）时，晶体中不存在能够导电的载流子（载流子：带有电荷、并可运动而输运电流的粒子，包括电子、离子等。半导体中的载流子有两种，即带负电的自由电子和带正电的自由空穴。因为本征半导体中自由电子和空穴是成对出现的,所以一样多,浓度相同）。

但是温度升高，如室温下，少数的价电子会克服共价键的束缚成为自由电子（所以本征载流子的浓度对温度非常敏感），本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度，克服共价键形成的自由电子的数量很少，所以本征半导体的导电能力很弱。

3.杂质半导体：在本征半导体中掺入特定的杂质，就成为了杂质半导体。与本征半导体相比，杂质半导体的导电能力发送了质的变化，大大的提高了导电能力。杂质半导体分为N型半导体和P型半导体。

N型半导体

在4价的硅中掺入了少量的5价杂质元素，磷，锑，砷等，最外层5个价电子，与硅原子结合成共价键时，会多出一个电子，这个电子不受共价键的约束，在室温下会变成自由电子，5价的杂质原子提供电子，被称为施主原子。所以在N型半导体中，电子的浓度大大高于空穴的浓度，主要靠电子导电，所以被称为电子型半导体/N型半导体，N是nagative的意思，N型半导体中的电子被称为多数载流子，空穴被称为少数载流子。

P型半导体

在4价的硅中掺入了少量的3价杂质元素，硼，镓等，最外层3个价电子，与硅原子结合成共价键时，会缺少一个价电子，常温下会从其他位置的共价键中夺取一个电子（得到一个电子），使得杂质元素对外呈现负电荷，形成负离子，同时生成一个空穴。所以在P型半导体中，空穴的浓度远远大于电子的浓度。主要靠空穴导电，所以被称为空穴型半导体/P型半导体，P是positive的意思。3价杂质原子起着接受电子的作用，被称为受主原子。P型半导体中的空穴被称为多数载流子，电子被称为少数载流子。

总结：在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要决定掺入的杂质浓度，少数载流子的浓度与温度相关。如N型中的杂质磷越多，那么多数载流子越多，浓度就越高。空穴是少数载流子，已经形成了共价键，所以跟温度关系比较大（就跟本征半导体的一样）。

注意：无论是P型还是N型半导体，总体的仍然还是保持的电中性。

PN结

将半导体的一侧掺杂P型半导体，另一侧掺杂N型半导体，在交界处会形成一个PN结。

在交接处的电子和空穴的浓度相差较大，所以N区中的自由电子会向P区扩散，同时，P区中的空穴也会向N区扩散。（扩散是因为浓度差）于是，就在交接面两侧形成一个不能移动的，正，负离子形成的空间电荷区，也就是PN结。由于空间电荷区缺少可以自由运动的载流子，所以又称为耗尽区。

由于多数载流子的扩散运动，电子和空穴因复合而消失。空间电荷区只剩下不能参加导电的正，负离子，破坏了P区和N区的电中性，所以P区带负电，N区带正电，两者之间产生了电位差U，称为电位壁垒。电场方向为：N区——>P区，也被称为内电场。内电场的作用是阻止多数载流子继续扩散，利于少数载流子的运动(漂移运动），内电场也被称为阻挡层。

在PN结中，扩散是因为浓度差（多子向少子运动），漂移是指的载流子在电场作用下的定向运动。