PN结原理

当N型材料与P型材料熔合在一起形成半导体二极管时形成PN结

在前面的教程中，我们看到了如何制作N型通过用少量锑掺杂硅原子来制作半导体材料，以及如何通过用硼掺杂另一个硅原子来制造P型半导体材料。

这一切都很好，但这些新掺杂N型和P型半导体材料本身很少，因为它们是电中性的。然而，如果我们将这两种半导体材料连接（或熔合）在一起，它们会以非常不同的方式合并在一起并产生通常所知的“PN结”。

当首先将N型半导体和P型半导体材料连接在一起时，在PN结的两侧之间存在非常大的密度梯度。结果是来自施主杂质原子的一些自由电子开始迁移穿过这个新形成的结，以填充P型材料中产生负离子的空穴。

然而，因为电子有从N型硅向P型硅移动穿过PN结，它们在负侧留下带正电的施主离子（ N D ），现在来自受主杂质的空穴沿相反方向穿过结点迁移到有大量自由电子的区域。

结果，沿着结点的P型电荷密度被填充带负电的受体离子（ N A ），沿着结的N型电荷密度变为正。电子和空穴穿过PN结的电荷转移称为扩散。这些P和N层的宽度取决于每个边掺杂的受主密度 N A ，并且施主密度 N D

这个过程来回继续，直到穿过结点的电子数量足够大，以排斥或防止任何更多的电荷载流子越过结点。最终将发生平衡状态（电中性状态），在结点区域周围产生“势垒”区域，因为供体原子排斥空穴并且受体原子排斥电子。

因为没有自由电荷载流子可以停留在存在势垒的位置，与远离结的N和P型材料相比，结的任一侧上的区域现在变得完全耗尽了更多的自由载流子。PN结周围的区域现在称为耗尽层。

PN结

PN结每侧的总电荷必须相等且相反，以保持结点周围的中性电荷状态。如果耗尽层区域的距离 D ，则因此必须穿透硅的距离 Dp 为正侧，距离为 Dn 为负面给出两者之间的关系： Dp * N A = Dn * N D 以维持电荷中性也称为平衡。

PN结距离

由于N型材料已经失去电子而P型失去了空穴，因此N型材料相对于P型变为正。然后，在结的两侧上存在杂质离子导致在该区域上建立电场，其中N侧相对于P侧具有正电压。现在的问题是，自由电荷需要一些额外的能量来克服现在存在的能够穿过耗尽区结的势垒。

这种由扩散过程产生的电场产生了“内置电位差“跨越具有开路（零偏置）电位的结点：

其中： E o 是零偏压结电压， V T 室温下26mV的热电压， N D 和 N A 是杂质浓度， n i 是固有浓度。

在PN结的两端之间施加的合适的正电压（正向偏压）可以为额外的能量提供自由电子和空穴。克服现有的势垒所需的外部电压在很大程度上取决于所用半导体材料的类型及其实际温度。

通常在室温下，硅耗尽层的电压约为0.6 - 0.7伏特和锗约为0.3-0.35伏特。即使器件没有连接到任何外部电源，这个潜在的屏障仍将存在，如二极管所示。

这种内置电位在整个结点的重要性在于它反对这两种流动跨越结点的空穴和电子，这就是它被称为势垒的原因。实际上，PN结是在单晶材料中形成的，而不是简单地将两个单独的片连接或熔合在一起。

这个过程的结果是PN结具有整流电流 - 电压（IV或I-V）特性。电触点熔合到半导体的任一侧上，以实现与外部电路的电连接。由此产生的电子器件通常称为 PN结二极管或简称信号二极管。

然后我们在这里看到一个PN结可以通过将不同掺杂的半导体材料连接或扩散在一起来制造称为二极管的电子器件，该电子器件可以用作整流器的基本半导体结构，所有类型的晶体管，LED，太阳能电池以及更多这样的固态器件。

在下一个关于PN结的教程中，我们将看一下PN结最有趣的应用之一是它在电路中用作二极管。通过在 P-type 和 N-type 材料的每一端添加连接，我们可以生成一个称为PN结二极管的双端器件，它可以被外部偏置电压阻止或允许电流流过它。