半導(dǎo)體與PN結(jié)

半導(dǎo)體是導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種物質(zhì)。如用以制造二極管的主要材料--硅和鍺，它們就是一種半導(dǎo)體。硅和鍺都屬于四價元素。當(dāng)在半導(dǎo)體中進(jìn)行微量的"摻雜"的時候，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能馬上會成百萬倍的增加。"摻雜"，就是在半導(dǎo)體中加進(jìn)微量的、有用的、特定的雜質(zhì)。如磷或硼等。
　　如在硅單晶半導(dǎo)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(jié)構(gòu)。由于磷原子的數(shù)目比硅原子要少得多，因此整個晶體結(jié)構(gòu)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(nèi)，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(shù)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(dǎo)體主要靠電子導(dǎo)電，叫做電子型半導(dǎo)體，或簡稱為N型半導(dǎo)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(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)有別于上述的那種結(jié)構(gòu)。因?yàn)榕鹪又挥腥齻€價電子，當(dāng)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(xiàn)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(bǔ)，而附近硅原子的共有價電子在熱激發(fā)下，也很容易轉(zhuǎn)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(xiàn)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(fù)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(chǎn)生一個空穴，從而使硅單晶中的空穴載流子數(shù)目大大增加。這種半導(dǎo)體主要是靠空穴導(dǎo)電，叫做空穴型半導(dǎo)體，或簡稱為P型半導(dǎo)體。
　　如果設(shè)法把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)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(qū)中的空穴要從P型區(qū)擴(kuò)散到N型區(qū)，N型區(qū)中的電子要從N型區(qū)擴(kuò)散到P型區(qū)。擴(kuò)散到的結(jié)果，就在交界面附近的P型區(qū)中形成很薄一層不能移動的負(fù)離子。同時在交界面附近的N型區(qū)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(fù)電荷的層很薄的區(qū)域，稱為"空間電荷區(qū)"。這就是PN結(jié)。PN結(jié)內(nèi)由于空穴和電子所產(chǎn)生的電場稱為"內(nèi)電場"它的方向是由N型區(qū)指向P型區(qū)。由于這個內(nèi)電場力的作用，使得當(dāng)P型區(qū)中的空穴想越過空間電荷區(qū)而向N型區(qū)擴(kuò)散時，受到內(nèi)電場的阻力而被拉加P型區(qū)。因?yàn)檫@時候空穴的擴(kuò)散方向剛好與內(nèi)電場的方向相反。同理，當(dāng)N型區(qū)中的電子想越過空間電荷區(qū)而向P型區(qū)擴(kuò)散時，由于電子的擴(kuò)散方向剛好與內(nèi)電場的阻力而被拉回N型區(qū)。總之，內(nèi)電場總是要阻得多數(shù)載流子。且電能運(yùn)動的微小粒子的擴(kuò)散運(yùn)動，也就是要使空穴流向P型區(qū)，電子流向N型區(qū)。我們把載流子在電場作用下的定向運(yùn)動中做漂移運(yùn)動。顯然，載流子的漂移運(yùn)動的方向是跟擴(kuò)散運(yùn)動的方向相反的。漂移作用同擴(kuò)散作用是互相對立的。由于空間電荷區(qū)的電場對電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動起阻礙作用，所以空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。隨著擴(kuò)散運(yùn)動與漂移運(yùn)動的繼續(xù)進(jìn)行，阻擋層的寬度逐漸趨向于一定。盡管這時擴(kuò)散運(yùn)動與漂移運(yùn)動仍在不斷地進(jìn)行，但是從P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)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(qū)來。對電子也是一樣。也即擴(kuò)散運(yùn)動與漂移運(yùn)動實(shí)現(xiàn)了動態(tài)平衡。此時，空間電荷區(qū)的寬度保持恒定，阻擋層的電場強(qiáng)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(qū)內(nèi)正離子一邊的電勢高，負(fù)離子一邊的電勢低，所以空間電荷區(qū)的兩邊存在著一個電勢差，也即PN結(jié)電勢差，稱為"內(nèi)建電勢差"，或稱為"勢壘"。若用UD表示，則硅制成的PN結(jié)UD=0.6~0.8V左右；而用鍺制成的PN結(jié)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(qū)內(nèi)正離子一邊的電勢高，負(fù)離子一邊的電勢低，所以空間電荷區(qū)的兩邊存在著一個電勢差，也即PN結(jié)電勢差，稱為"內(nèi)建電勢差"，或稱為"勢壘"。若用UD表示，則硅制成的PN結(jié)UD=0.6~0.8V左右；而用鍺制成的PN結(jié)UD=0.2~0.3V左右。

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