半导体PN结理论介绍

当N型材料与P型材料熔合在一起时形成PN结，从而形成半导体二极管。

在前面的文章中，我们分享了如何通过用少量锑掺杂硅原子来制造N型半导体材料，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，但这些新掺杂的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，它们以非常不同的方式合并在一起并产生通常称为“ PN结 ”的东西。

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，由于电子已经穿过PN结从N型硅移动到P型硅，它们在负侧留下带正电荷的施主离子（ N D），现在来自受主杂质的空穴迁移穿过在相反方向上的结连接到存在大量自由电子的区域。

结果，沿着结的P型电荷密度被带负电的受主离子（N A ）填充 ，并且沿着结的N型电荷密度变为正。这种电子和空穴穿过PN结的电荷转移称为扩散。这些P和N层的宽度取决于每侧掺杂受主密度N A和施主密度N D的重量。

该过程来回继续，直到已经越过结的电子数量具有足够大的电荷以排斥或防止任何更多的电荷载流子越过结。最终将发生平衡状态（电中性情况），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。

由于没有自由电荷载流子可以停留在存在势垒的位置，因此与远离结的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 Junction周围的这个区域现在称为Depletion Layer。

半导体PN结

半导体pn结图

半导体PN结的每一侧的总电荷必须相等且相反，以保持PN结周围的中性电荷条件。因此，如果耗尽层区域具有距离D，则因此必须在正侧通过Dp的距离进入硅，并且负侧的距离Dn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。

半导体PN结距离

半导体pn结距离图

由于N型材料已经失去电子并且P型失去了空穴，所以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屏障，使其能够穿过耗尽区结。

这种由扩散过程产生的电场在结点上产生了“内置电位差”，具有开路（零偏置）电位：

半导体PN结电位图

其中：E o是零偏结电压，V T是室温下26mV的热电压，N D和N A是杂质浓度，n i是本征浓度。

在半导体PN结的两端之间施加的合适的正电压（正向偏压）可以提供具有额外能量的自由电子和空穴。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，硅的耗尽层上的电压约为0.6-0.7伏，而锗的电压约为0.3-0.35伏。即使器件未连接到任何外部电源，也会始终存在这种势垒，如二极管所示。

跨越结点的这种内置电位的重要性在于它反对穿过结的空穴和电子的流动，这就是它被称为势垒的原因。在实践中，半导体PN结形成在单晶材料内，而不是简单地将两个单独的片连接或熔合在一起。

该过程的结果是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。所形成的电子器件通常称为半导体PN结二极管或简称为信号二极管。

然后我们在这里看到，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PN结，以产生称为二极管的电子器件，其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设备。

大约在半导体PN结的下一个教程中，我们将着重讲述最有趣的应用程序的一个PN结是其在电路中的二极管使用。通过在P型和N型材料的每一端添加连接，我们可以产生一个称为半导体PN结二极管的双端器件，它可以通过外部电压偏置，阻止或允许电流流过它。

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