半导体与PN结

半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的一种物质。如用以制造二极管的主要材料--硅和锗，它们就是一种半导体。硅和锗都属于四价元素。当在半导体中进行微量的"掺杂"的时候，半导体的导电能马上会成百万倍的增加。"掺杂"，就是在半导体中加进微量的、有用的、特定的杂质。如磷或硼等。
　　如在硅单晶半导体中掺入少量的五价元素（P），则磷原子就会与硅原子组成共价键结构。由于磷原子的数目比硅原子要少得多，因此整个晶体结构基本不变，只是某些位置上硅原子被磷原子所代替。由于具有五个价电子，所以一个磷原子同相邻的四个硅原子组成共价键时，还多余一个价电子。这个价电子没有被束缚在共价键内，只受到磷原子核的吸引，所以它受到的束缚力比较小，很容易挣脱束缚变成自由电子，从而使硅单晶中自由电子的数目大大增加。而磷原子失去一个价电子之后，也成了带正电的磷离子。这种半导体主要靠电子导电，叫做电子型半导体，或简称为N型半导体。若在硅单晶中掺入少量的三价元素，例如硼（B），则硼原子也会与硅原子组成共价键结构，但是这种结构有别于上述的那种结构。因为硼原子只有三个价电子，当它同相邻的四个硅原子组成共价键时，还缺少一个价电子，因而在一个共价键上要出现一个空位置。为了满足组成四对共价键的需要，这个空位置很容易接受一个外来电子的填补，而附近硅原子的共有价电子在热激发下，也很容易转移到这个空位置上来于是就在那个硅原子的共价键上出现了一个空穴，而硼原子接受了一个价电子之后，也就成了带负电的硼离子。这样，每个硼原子都能接受一个价电子，同时附近产生一个空穴，从而使硅单晶中的空穴载流子数目大大增加。这种半导体主要是靠空穴导电，叫做空穴型半导体，或简称为P型半导体。
　　如果设法把P型半导体和N型半导体制造在一起，由于P型与N型之间空穴和电子的浓度差别极大，故P型区中的空穴要从P型区扩散到N型区，N型区中的电子要从N型区扩散到P型区。扩散到的结果，就在交界面附近的P型区中形成很薄一层不能移动的负离子。同时在交界面附近的N型区域中，形成很薄一层不能移动的正离子，在PN交界面两边，就形成了一边带正荷，另一边负电荷的层很薄的区域，称为"空间电荷区"。这就是PN结。PN结内由于空穴和电子所产生的电场称为"内电场"它的方向是由N型区指向P型区。由于这个内电场力的作用，使得当P型区中的空穴想越过空间电荷区而向N型区扩散时，受到内电场的阻力而被拉加P型区。因为这时候空穴的扩散方向刚好与内电场的方向相反。同理，当N型区中的电子想越过空间电荷区而向P型区扩散时，由于电子的扩散方向刚好与内电场的阻力而被拉回N型区。总之，内电场总是要阻得多数载流子。且电能运动的微小粒子的扩散运动，也就是要使空穴流向P型区，电子流向N型区。我们把载流子在电场作用下的定向运动中做漂移运动。显然，载流子的漂移运动的方向是跟扩散运动的方向相反的。漂移作用同扩散作用是互相对立的。由于空间电荷区的电场对电子和空穴的扩散运动起阻碍作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。随着扩散运动与漂移运动的继续进行，阻挡层的宽度逐渐趋向于一定。尽管这时扩散运动与漂移运动仍在不断地进行，但是从P区向N区扩散过去多少空穴，同时也有同样多的空穴在电场力的作用下漂移加到P区来。对电子也是一样。也即扩散运动与漂移运动实现了动态平衡。此时，空间电荷区的宽度保持恒定，阻挡层的电场强度保持一定。
　　由于电场的方向是向电势降落的方向，因此空间电荷区内正离子一边的电势高，负离子一边的电势低，所以空间电荷区的两边存在着一个电势差，也即PN结电势差，称为"内建电势差"，或称为"势垒"。若用UD表示，则硅制成的PN结UD=0.6~0.8V左右；而用锗制成的PN结UD=0.2~0.3V左右。
　　由于电场的方向是向电势降落的方向，因此空间电荷区内正离子一边的电势高，负离子一边的电势低，所以空间电荷区的两边存在着一个电势差，也即PN结电势差，称为"内建电势差"，或称为"势垒"。若用UD表示，则硅制成的PN结UD=0.6~0.8V左右；而用锗制成的PN结UD=0.2~0.3V左右。

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