在本教程中，我们将学习半导体电子学中最重要的概念之一，即PN结。虽然它不是主要讨论的概念外的PN结二极管，有时晶体管，一个PN结是一个基本的主题在半导体电子学。
所以，在这个PN结教程中，我们将讨论PN结的一些基础知识，PN结是如何形成的，PN结的特性和许多其他方面。
大纲
介绍
当谈到半导体器件，如二极管，晶体管和其他，PN结形成的基础。很少有像光电导体这样的半导体器件是通过掺杂单一类型的杂质而形成的。但这是有限的情况下，大多数半导体设备需要两种类型的掺杂。
PN结基本上是通过在半导体晶体的一边引入(称为掺杂)受体杂质而另一边掺杂施主杂质而形成的。
这两个区域之间的接口称为PN结。
半导体电子基础知识
半导体如硅或锗的导电性取决于导电带内载流子的浓度。电导率的性质取决于掺杂过程中掺杂剂的数量。
硅的电导率由因子10累积3.在室温下每10个硼原子中加入1个硼原子5硅原子。
在硅晶体中掺杂五价杂质如锑，可以得到n型半导体;在硅晶体中掺杂三价杂质如硼，浓度很小，可以得到p型半导体。
锑和硼都是掺杂过程中必不可少的半导体杂质;因此，它们被称为“类金属”。n型和p型半导体各自都是电中性的。
PN结是如何形成的?
通过将晶体的一侧用受体杂质原子掺杂晶体的一侧以p型并掺杂与供体杂质原子的相对侧作为n型，在单个半导体晶体中形成PN结。p型和n型收敛被称为pn结的区域。
在PN结区域，n型材料中的电子散射了PN结，并与p型材料中的空穴结合。由于电子被空穴所吸引，靠近半导体结的p型材料区域带负电荷。
当电子离开n型区域时，它就带正电荷。因此，在结合处存在自由电子向p型区域扩散和空穴向n型区域扩散的倾向，这一过程称为扩散。
夹在这两个区域之间的大多数载流子耗尽的薄层称为耗尽区。PN结的平衡状态被定义为在没有施加到其上的任何外部电位的情况下留下PN结的状态。
这也可以另外定义为零电压偏置条件的状态。耗尽区域的宽度非常薄，通常几千毫米，电流可能不会流过二极管。
施加电势时PN结
根据耗尽区宽度的不同，可以注意到不同的性质。如果在这样的地方施加正电位，P型区域就变成正的，因此N型变成负的，空穴向负电压移动。
同样地，电子向正电压移动并跃过耗尽层。耗尽区p型电荷密度被带负电荷的受体离子填充，使n型电荷密度变为正电荷。
潜在屏障构成PN结中间电荷载体的分区。这种潜在的屏障应通过外部电位资源克服，使PN结是导电电流。
半导体二极管中结和势垒的形成贯穿于PN结半导体二极管的整个制造过程。势垒的大小可能与制造PN结二极管所用的材料有关。
硅PN结半导体二极管比锗PN结半导体二极管具有优良的势垒值。
PN结
通过将p型和n型粘在同一半导体晶体内部，可以制造出PN结。p型中载流子多为带正电的空穴，n型中载流子多为带负电的电子。
由于电子-空穴对的存在，PN结两侧的总电荷必须相等且相反，以保持结周围的中性电荷状态。在p型和n型之间，载流子被复制多次的一层称为耗尽区。
在平衡状态下，PN结处不发生传导。PN结的传导涉及多数载流子扩散和少数载流子漂移。PN结的电流传导物理上涉及导带和价带。
一旦提供外部电池，电子的流动发生在导带，而空穴的流动发生在价带。
在零电压偏置平衡条件下，空穴和电子的少数浓度在合并电场e的影响下简单地漂移。多数载流子的扩散必须穿过PN结的势垒VB，势垒VB是耗尽区作用的结果。
这意味着n型和p型的多数载流子至少要达到qVB电子伏(eV)的能量，才能越过势垒扩散到p型或n型区域。
从PN结的N侧的电子移向PN结的P侧湮灭的孔产生潜在的阻挡电压。硅胶电压的值在硅中接近0.6至0.7V，在锗中0.3V，随着不同半导体的掺杂水平而变化。
相互接触的p型和n型半导体块没有可利用的特性。外部电压源必须通过势垒才能使PN结导电。如果电位源以正极连接到P侧，负极连接到N侧的方式连接。
负端子向n型提供电子以朝向耗尽层扩散。同样，正端子在p型产生孔朝向耗尽区域中去除电子中的电子。
如果电池电源足够大，足以克服阻挡电压，那么来自n型和p型的多数载流子结合并耗尽结。因此，当外加势大于势垒时，更多的载流子被复制并向耗尽区流动。
因此，大部分电荷电流被传导并流向结。在这种方法中，一旦电流由多数载流子传导，PN结被称为正向偏置。
如果电池端子颠倒，则n型载流子的多数被PN结的正极所吸引，孔被远离PN结的负极所吸引。
耗尽层宽度随外加电势的增大而增大，因此耗尽层上载流子的复合不会发生。因此，没有电流传导。在这种方法中，PN结被称为反向偏置。
内建PN结势
n型区域的多数载流子即电子可以通过结与p型区域的多数载流子即空穴重新结合。结果是，由于三价杂质硼原子在价带释放一个带正电荷的空穴而带有静态负电荷，因此在p型区域中形成了一个负的静态空间电荷。
而由于类似的原因，n型区域形成了一个正的空间电荷。产生空间电荷的小体积称为空间电荷区或损耗区。由于在这个小体积中有一个强大的电场，在热平衡状态下自由载流子的密度可以忽略不计。
如果p型和n型半导体具有更轻，则在耗尽层处开发可能的潜在屏障。实际上，静态空间电荷在PN结的边界处累积，n型区域和p型区域中的负电荷中的正电荷产生从n型到p型的电场，这会导致电子和孔的扩散和添加重组。
通过形成内部电场停止扩散。由于PN结的任一侧存在这种双层电荷，潜在的屏障在耗尽区内急剧变化，并且电位差Vd，称为扩散电位或内置电位达到不可忽略的值。
静电电位恒定在晶体上与空间充电区一起，因为这种潜力不仅考虑了电场，而且考虑了电磁场的浓度。由于电荷载体的浓度而建立的潜力可以准确地补偿静电势。
内嵌势或扩散势正比于两种无界半导体的费米能量之差:
E =（1 / Q）* {eFP.- EFN.} = (kT / q ln {[N一个ND) / n我2}
在哪里
- E是零偏置结电压
- （kt / q）室温下的热电压为26mV。
- N一个和nB是受体原子和供体原子的杂质浓度
- n是内在浓度。
半导体的内置电位或结电位等于热平衡状态下耗尽区域的电位。随着热平衡意味着在整个PN二极管装置中，费米能量是恒定的。
因此，导带和价带的费米能量向上或向下移动，并在耗尽层区域表现出光滑的偏差。因此，在p型和n型区域之间存在一个等于qV的静电势能差d。
克服结势所需的外电势依赖于工作温度和半导体的种类。由于电子-空穴对的存在，即使外电势不施加于半导体，也存在一定的势垒。
在单个半导体上形成PN结，并在半导体表面周围铺设电触点，以实现外部电源的电连接。因此，最终的器件被称为PN结二极管或信号二极管。
