白話說之PN結

白話說之PN結（你將了解PN結的形成的根本原理與特性）

什么是PN結呢？

就是將P型半導體和N型半導體制作在同一純凈的硅片上，它們的交界面就是PN結。

那什么是半導體？什么是P型半導體，什么N型半導體呢？

半導體就是導電性能介于導體和絕緣體之間的物質，而物質的導電性能是由它的內部原子結構所決定的，原子對電子的束縛能力越強，越不容易失去電子，也就越不容易形成自由電子，從而導電性能越差，同理原子對電子的束縛能力越弱，就越容易失去電子，也就容易形成自由電子，從而導電性能越好，比如低價元素容易失去電子形成自由電子因此它容易導電是導體，而高價元素不容易失去電子，無自由電子的形成因此不容易導電。

因此中間元素（如四價元素硅）對電子的束縛能力介于導體與絕緣體之間因此常被制成半導體。

P型半導體就是在本征半導體（也就是純凈的硅片）上摻雜三價元素（如硼）形成的半導體，硼原子取代了純凈硅片上的硅原子，因為硼原子最外層只帶三個電子，與最外層帶四個電子的硅原子形成共價鍵之后，將會產生一個帶正電荷的空穴，而“正”在英文中為Positive

因此此種半導體就稱為P型半導體，其多子是空穴，少子是自由電子。

（后面將介紹何為空穴，何為多子，何為是少子）

N型半導體就是在本征半導體（也就是純凈的硅片）上摻雜五價元素（如磷）形成的半導體，磷原子P取代了純凈硅片上的硅原子Si，因為磷原子最外層帶五個電子，與最外層帶四個電子的硅原子形成共價鍵之后，將會剩下一個帶負電荷的電子，而“負”在英文中為Negative，因此此種半導體就稱為N型半導體其多子是自由電子，少子是空穴。

那上面的自由電子、空穴、多子、少子又是什么呢？

自由電子：價電子在熱運動（熱激發）的作用下，獲得能量掙脫原子的束縛成為自由電子。

空穴：價電子在熱運動（熱激發）的作用下，獲得能量掙脫原子的束縛成為自由電子的同時在共價鍵中留下一個空位置，稱為空穴，原子因失去一個電子而帶正電，所以一般我們也說空穴帶正電荷。

多子：即多數載流子。

少子：即少數載流子。

載流子：簡單地說就是運載電荷物質。

那我們為什么要介紹自由電子、空穴、多子、少子呢？因為我們首先要明白PN結的原理才能清楚的認識它，并使用它！

物質為什么會導電呢？

其實在上面已經說了物質原子越容易失去電子，使其成為自由電子、其導電性能越好，也就是說自由電子（或者空穴）的運動使得物質可以導電！因此物質里面如果沒有載流子的運動也就不會導電，形成電流。

對于導體它原子里面因為沒有共價鍵因此不會有空穴，只會有自由電子這一種載流子，而半導體里面因為有共價鍵因此可以形成空穴與自由電子，也就是說半導體內部有兩種載流子，空穴數量比自由電子數量多，空穴就是多子，自由電子就是少子，反之亦然。

根據上文所說我們就可以知道一些實際的問題，比如二極管為什么會受溫度影響？

因為二極管其實本質上就是PN結，溫度越高，熱激發（熱運動）也就越劇烈，將會有更多的電子獲得足夠掙脫原子束縛的能量成為自由電子。

自由電子數量的改變自然也就影響了PN結的特性。

那PN結為什么具有單向導電性？

這是我們要探究的主要問題了，前面都只是是鋪墊。

前面說了物質的導電性是因為載流子的運動，難道PN結具有單向導電性是因為載流子只朝一個方向運動嗎？

其實不然，真相到底是什么呢？客官請容我飲壺濁酒慢慢道來。。。。。。

正如前面所說PN結里面有兩種載流子空穴與自由電子，其實PN結具有單向導電性和這兩種載流子有關，多子因從PN結的P區到N區的運動，使得PN結導通，少子因漂移運動從PN結的N區到P區的運動，但因為少子很少即便全部的少子都參與漂移運動，產生的電流都極小。

在實際的運用當中一般都會忽略不計，因此使得PN結截止，即不導通。

那前面所說的漂移運動，擴散運動又是什么呢？

PN結中的載流子一般又是朝哪個方向運動的？

漂移運動：載流子在電場作用下的運動稱之為漂移運動。

擴散運動：載流子在濃度差的作用下的運動稱之為擴散運動，物質有從高濃度地方從低濃度地方流動的趨勢。

PN結中的載流子運動方向：PN結其實是處于一種內部載流子運動平衡的狀態中，就是擴散運動和漂移運動的動態平衡的狀態，只有外部加入其它電場才會破會這種平衡，導電性才會改變（加入正向電壓PN結導通，加入反向電壓PN結截止）。

接下來詳細說明此間的奧妙。

PN結中的動態平衡：前面我們已經說過在本征半導體中摻入三價元素形成P型半導體，其多子是空穴、濃度高。

摻入五價元素形成N型半導體，其多子是自由電子、濃度高。

因此當通過在純凈的硅片上摻雜不同的雜質元素將形成PN結，由于濃度差的存在，P區的帶正電荷多子空穴必然流入低濃度的N區中與N區的自由電子結合，而N區中的帶負電荷的多子自由電子必然流入低濃度的P區中與P區的空穴結合，（它們兩的電流方向一致，也即PN結中電流是其兩者相加。）

P區因為空穴的流入N區將在靠近N區的一面形成負離子區，N區因為自由電子的流入P區將在靠近P區的一面形成正離子區，這一正負離子區合稱空間電荷區（也稱耗盡層）。

而空間電荷區將形成內電場（會使得載流子產生漂移運動）將阻礙擴散運動，兩種運動相互作用于載流子，載流子則會呈現一種平衡狀態。

PN正向導通：在PN結上加正向偏置電壓。將會打破上述的平衡狀態，外電場將抵消內電場，此時PN結中的多子（P區的多子空穴與N區的多子自由電子的總和）將會從P區到N區運動形成導通電流，當然正向偏置電壓要達到一定條件（硅為0.7V，鍺為0.3V）才能抵消內電場（部分抵消則為不完全開啟，抵消則為完全開啟），才能導通（這也是二極管為什么要開機啟電壓的根本原因）。

PN反向截止：在PN結上加反向偏置電壓。

將會打破上述的平衡狀態，外電場與內電場疊加，此時PN結中的少子（P區的少子自由電子與N區的少子空穴的總和）將在疊加后電場的作用下產生漂移運動將會從N區到P區運動）。

但是因為少子很少即便所有的少子都參加漂移運動，反向電流也很小，在實際情況下忽略不計。

因此認為PN結加反向電壓時將截止，不導通。

上面說了PN結的導通與截止，我們最后再說說PN結的擊穿特性，因為實際的電路設計中穩壓管也是常用的電子元器件，而穩壓管又是利用PN結的反向特性制作而成的，因此有必要講講其擊穿的原因!

首先PN結的擊穿原因有兩種。

一：齊納擊穿。

因為PN結摻雜濃度高，使其耗盡層很薄，根據電場強度E=u/d，但d很小時，很小的反向電壓u都會產生很大的電場強度，隨著強電場的作用下，將直接破壞共價鍵以致生產更多的空穴與自由電子對，形成大的電路流，PN將因此燒壞。

二：雪崩擊穿。

根據電場強度E=u/d，當反向電壓很大時，電場強度也將增大，此時PN結中的少子漂移運動的速度將很快，撞擊在共價鍵中將破壞共價鍵，從而產生空穴和自由電子對，反向電流將增大，PN有可能將因此燒壞。

最后的最后，我們淺談PN結的結電容！

結電容由勢壘電容與擴散電容組成，PN結面積越大，它能承受的電流也就越大，但同時其結電容也就越大，因此面積大的PN結適合用于大電流，低頻電流中，如整流管。

PN結面積越小，它能承受的電流也就越小，其結電容越小，因此面積小的PN結適合用于小電流，高頻電流中，如脈沖數字電路中的開關管。