PN结相关知识点（PN结原理）

分四个部分阐述：
一、半导体、本征半导体
二、P型半导体、N型半导体
三、PN结的形成
四、PN结的单项导电性

一、半导体、本征半导体

1、半导体：导电性介于导体和绝缘体之间的物质，如硅（Si），锗（Ge）。
硅和锗都是四价元素，原子的最外层轨道上有四个价电子。
2、本征半导体：纯净的半导体晶体。原子与原子之间通过共价键紧密结合在一起。

3、自由电子和空穴：室温下，由于热运动，少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键上留下一个空位，这个空位成为“空穴”。失去价电子的原子成为正离子，就好像空穴带正电一样。所以我们通常认为，空穴是带正电荷的载流子。

本征半导体中有两种载流子：带正电荷的空穴和带负电荷的自由电子。
热运动（热激发）产生的自由电子和空穴是成对出现的，所以自由电子和空穴也可能成对组合而消失，成为“复合”。在一定温度下，自由电子和空穴维持一定浓度。

二、N型半导体、P型半导体

1、N型半导体
在硅晶体中掺入五价元素磷，磷原子的五个价电子有四个与硅原子的价电子结合形成共价键，多出的一个电子不受共价键的束缚，很容易受温度的影响成为自由电子。磷原子失去一个电子成为正离子（在晶体中不能移动），每个磷原子提供一个自由电子，自由电子数量大大增加，远远超过空穴数。这种导体主要通过自由电子导电，成为N型半导体。

N型半导体特点：
自由电子为多数载流子（简称多子）
空穴为少数载流子（简称少子）

2、P型半导体
在硅晶体中掺入三价元素硼，硼原子的三个价电子与硅的四个价电子结合形成共价键，由于缺少一个价电子而产生一个空位。这个空位很容易被邻近共价键中的价电子填补。硼原子得到一个电子形成负离子（在晶体中不能移动），失去价电子的共价键形成一个空穴，一个硼原子产生一个空穴，空穴数目大大增大，远远超过自由电子数。这种半导体主要依靠空穴导电，成为P型半导体。

N型半导体特点：
空穴为多数载流子（简称多子）
自由电子为少数载流子（简称少子）

三、PN结的形成

预备知识：
半导体中，载流子受外部电场力而产生的定向运动，叫做漂移运动；如果浓度分布不均，因为浓度差，载流子将会从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种定向运动叫做扩散运动。
将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层——PN结
1、多子扩散运动形成空间电荷区
由于浓度差，自由电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方做扩散运动。扩散的结果，交界面p区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧应为失去自由电子而留下不能移动的正离子。这样在交界面处出现由数量相等的正负离子组成的空间电荷区，并产生由N区指向P区的内电场
E_IN

P.S. 在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并被复合掉了，或者说消耗殆尽了，因此空间电荷区又称为“耗尽层”。
2、内电场E_IN阻止多子扩散，促使少子漂移

扩散与漂移动态平衡形成一定宽度的PN结。

P.S.为什么内电场E_IN阻止多子扩散，促使少子漂移？
以N区为例，N区中的自由电子的浓度较空间电荷区的浓度更高，所以自由电子会向空间电荷定向运动——扩散运动。又因为N区的多子是自由电子，内电场由N区指向P去，所以对自由电子的电场力由P区指向N区（正电荷（空穴）受电场力的方向与电场的方向相同，负电荷（自由电子）受电场力的方向与电场方向相反）。所以N区多子（自由电子）所受的力始终与扩散方向相反，所以内电场会阻止自由电子的扩散运动。
N区中的少子是空穴，空穴带正电荷，所以所受电场力的方向为N区指向P区，所以会促使N区的少子的漂移运动。

小结：PN结中同时存在多子的扩散运动和少子的漂移运动，达到动态平衡时，扩散运动产生的扩散电流和漂移运动产生的漂移电流互相抵消，PN结中的电流为0.

PN结的单向导电性

1、外加正向电压（也叫正向偏置）

外电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到p区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这是称PN结处于“导通”状态。
2、外加反向电压（也叫反向偏置）

外加电场与内电场相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流I_R很小，这时称PN结处于“截止”状态。

U_on 约为 0.5V（硅）
U_on约为 0.1V（锗）
1）、外加正向电压较小时，不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍然处于截止状态。
2）、正向电压大于“开启电压U_on”后，i随着u增大迅速上升。
3）、外加反向电压是，PN结处于截止状态，反向电流I_R很小。
4）、反向电压大于“击穿电压U_RB”时，反向电流I_R急剧增加。