半導體與PN結

半導體是導電性能介于導體和絕緣體之間的一種物質。如用以制造二極管的主要材料--硅和鍺，它們就是一種半導體。硅和鍺都屬于四價元素。當在半導體中進行微量的"摻雜"的時候，半導體的導電能馬上會成百萬倍的增加。"摻雜"，就是在半導體中加進微量的、有用的、特定的雜質。如磷或硼等。
　　如在硅單晶半導體中摻入少量的五價元素（P），則磷原子就會與硅原子組成共價鍵結構。由于磷原子的數目比硅原子要少得多，因此整個晶體結構基本不變，只是某些位置上硅原子被磷原子所代替。由于具有五個價電子，所以一個磷原子同相鄰的四個硅原子組成共價鍵時，還多余一個價電子。這個價電子沒有被束縛在共價鍵內，只受到磷原子核的吸引，所以它受到的束縛力比較小，很容易掙脫束縛變成自由電子，從而使硅單晶中自由電子的數目大大增加。而磷原子失去一個價電子之后，也成了帶正電的磷離子。這種半導體主要靠電子導電，叫做電子型半導體，或簡稱為N型半導體。若在硅單晶中摻入少量的三價元素，例如硼（B），則硼原子也會與硅原子組成共價鍵結構，但是這種結構有別于上述的那種結構。因為硼原子只有三個價電子，當它同相鄰的四個硅原子組成共價鍵時，還缺少一個價電子，因而在一個共價鍵上要出現一個空位置。為了滿足組成四對共價鍵的需要，這個空位置很容易接受一個外來電子的填補，而附近硅原子的共有價電子在熱激發下，也很容易轉移到這個空位置上來于是就在那個硅原子的共價鍵上出現了一個空穴，而硼原子接受了一個價電子之后，也就成了帶負電的硼離子。這樣，每個硼原子都能接受一個價電子，同時附近產生一個空穴，從而使硅單晶中的空穴載流子數目大大增加。這種半導體主要是靠空穴導電，叫做空穴型半導體，或簡稱為P型半導體。
　　如果設法把P型半導體和N型半導體制造在一起，由于P型與N型之間空穴和電子的濃度差別極大，故P型區中的空穴要從P型區擴散到N型區，N型區中的電子要從N型區擴散到P型區。擴散到的結果，就在交界面附近的P型區中形成很薄一層不能移動的負離子。同時在交界面附近的N型區域中，形成很薄一層不能移動的正離子，在PN交界面兩邊，就形成了一邊帶正荷，另一邊負電荷的層很薄的區域，稱為"空間電荷區"。這就是PN結。PN結內由于空穴和電子所產生的電場稱為"內電場"它的方向是由N型區指向P型區。由于這個內電場力的作用，使得當P型區中的空穴想越過空間電荷區而向N型區擴散時，受到內電場的阻力而被拉加P型區。因為這時候空穴的擴散方向剛好與內電場的方向相反。同理，當N型區中的電子想越過空間電荷區而向P型區擴散時，由于電子的擴散方向剛好與內電場的阻力而被拉回N型區。總之，內電場總是要阻得多數載流子。且電能運動的微小粒子的擴散運動，也就是要使空穴流向P型區，電子流向N型區。我們把載流子在電場作用下的定向運動中做漂移運動。顯然，載流子的漂移運動的方向是跟擴散運動的方向相反的。漂移作用同擴散作用是互相對立的。由于空間電荷區的電場對電子和空穴的擴散運動起阻礙作用，所以空間電荷區又稱為阻擋層。隨著擴散運動與漂移運動的繼續進行，阻擋層的寬度逐漸趨向于一定。盡管這時擴散運動與漂移運動仍在不斷地進行，但是從P區向N區擴散過去多少空穴，同時也有同樣多的空穴在電場力的作用下漂移加到P區來。對電子也是一樣。也即擴散運動與漂移運動實現了動態平衡。此時，空間電荷區的寬度保持恒定，阻擋層的電場強度保持一定。
　　由于電場的方向是向電勢降落的方向，因此空間電荷區內正離子一邊的電勢高，負離子一邊的電勢低，所以空間電荷區的兩邊存在著一個電勢差，也即PN結電勢差，稱為"內建電勢差"，或稱為"勢壘"。若用UD表示，則硅制成的PN結UD=0.6~0.8V左右；而用鍺制成的PN結UD=0.2~0.3V左右。
　　由于電場的方向是向電勢降落的方向，因此空間電荷區內正離子一邊的電勢高，負離子一邊的電勢低，所以空間電荷區的兩邊存在著一個電勢差，也即PN結電勢差，稱為"內建電勢差"，或稱為"勢壘"。若用UD表示，則硅制成的PN結UD=0.6~0.8V左右；而用鍺制成的PN結UD=0.2~0.3V左右。

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