白話說之PN結(jié)

白話說之PN結(jié)（你將了解PN結(jié)的形成的根本原理與特性）

什么是PN結(jié)呢？

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

那什么是半導(dǎo)體？什么是P型半導(dǎo)體，什么N型半導(dǎo)體呢？

半導(dǎo)體就是導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，而物質(zhì)的導(dǎo)電性能是由它的內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)所決定的，原子對電子的束縛能力越強(qiáng)，越不容易失去電子，也就越不容易形成自由電子，從而導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電是導(dǎo)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(dǎo)電。

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

P型半導(dǎo)體就是在本征半導(dǎo)體（也就是純凈的硅片）上摻雜三價元素（如硼）形成的半導(dǎo)體，硼原子取代了純凈硅片上的硅原子，因?yàn)榕鹪幼钔鈱又粠齻€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(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，而“正”在英文中為Positive

因此此種半導(dǎo)體就稱為P型半導(dǎo)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(dǎo)體就是在本征半導(dǎo)體（也就是純凈的硅片）上摻雜五價元素（如磷）形成的半導(dǎo)體，磷原子P取代了純凈硅片上的硅原子Si，因?yàn)榱自幼钔鈱訋鍌€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(fù)電荷的電子，而“負(fù)”在英文中為Negative，因此此種半導(dǎo)體就稱為N型半導(dǎo)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(yùn)動（熱激發(fā)）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(yùn)動（熱激發(fā)）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(shù)載流子。

少子：即少數(shù)載流子。

載流子：簡單地說就是運(yùn)載電荷物質(zhì)。

那我們?yōu)槭裁匆榻B自由電子、空穴、多子、少子呢？因?yàn)槲覀兪紫纫靼譖N結(jié)的原理才能清楚的認(rèn)識它，并使用它！

物質(zhì)為什么會導(dǎo)電呢？

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

對于導(dǎo)體它原子里面因?yàn)闆]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(dǎo)體里面因?yàn)橛泄矁r鍵因此可以形成空穴與自由電子，也就是說半導(dǎo)體內(nèi)部有兩種載流子，空穴數(shù)量比自由電子數(shù)量多，空穴就是多子，自由電子就是少子，反之亦然。

根據(jù)上文所說我們就可以知道一些實(shí)際的問題，比如二極管為什么會受溫度影響？

因?yàn)槎O管其實(shí)本質(zhì)上就是PN結(jié)，溫度越高，熱激發(fā)（熱運(yùn)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(shù)量的改變自然也就影響了PN結(jié)的特性。

那PN結(jié)為什么具有單向?qū)щ娦裕?/p>

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(zhì)的導(dǎo)電性是因?yàn)檩d流子的運(yùn)動，難道PN結(jié)具有單向?qū)щ娦允且驗(yàn)檩d流子只朝一個方向運(yùn)動嗎？

其實(shí)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(jié)里面有兩種載流子空穴與自由電子，其實(shí)PN結(jié)具有單向?qū)щ娦院瓦@兩種載流子有關(guān)，多子因從PN結(jié)的P區(qū)到N區(qū)的運(yùn)動，使得PN結(jié)導(dǎo)通，少子因漂移運(yùn)動從PN結(jié)的N區(qū)到P區(qū)的運(yùn)動，但因?yàn)樯僮雍苌偌幢闳康纳僮佣紖⑴c漂移運(yùn)動，產(chǎn)生的電流都極小。

在實(shí)際的運(yùn)用當(dāng)中一般都會忽略不計(jì)，因此使得PN結(jié)截止，即不導(dǎo)通。

那前面所說的漂移運(yùn)動，擴(kuò)散運(yùn)動又是什么呢？

PN結(jié)中的載流子一般又是朝哪個方向運(yùn)動的？

漂移運(yùn)動：載流子在電場作用下的運(yùn)動稱之為漂移運(yùn)動。

擴(kuò)散運(yùn)動：載流子在濃度差的作用下的運(yùn)動稱之為擴(kuò)散運(yùn)動，物質(zhì)有從高濃度地方從低濃度地方流動的趨勢。

PN結(jié)中的載流子運(yùn)動方向：PN結(jié)其實(shí)是處于一種內(nèi)部載流子運(yùn)動平衡的狀態(tài)中，就是擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的動態(tài)平衡的狀態(tài)，只有外部加入其它電場才會破會這種平衡，導(dǎo)電性才會改變（加入正向電壓PN結(jié)導(dǎo)通，加入反向電壓PN結(jié)截止）。

接下來詳細(xì)說明此間的奧妙。

PN結(jié)中的動態(tài)平衡：前面我們已經(jīng)說過在本征半導(dǎo)體中摻入三價元素形成P型半導(dǎo)體，其多子是空穴、濃度高。

摻入五價元素形成N型半導(dǎo)體，其多子是自由電子、濃度高。

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

P區(qū)因?yàn)榭昭ǖ牧魅隢區(qū)將在靠近N區(qū)的一面形成負(fù)離子區(qū)，N區(qū)因?yàn)樽杂呻娮拥牧魅隤區(qū)將在靠近P區(qū)的一面形成正離子區(qū)，這一正負(fù)離子區(qū)合稱空間電荷區(qū)（也稱耗盡層）。

而空間電荷區(qū)將形成內(nèi)電場（會使得載流子產(chǎn)生漂移運(yùn)動）將阻礙擴(kuò)散運(yùn)動，兩種運(yùn)動相互作用于載流子，載流子則會呈現(xiàn)一種平衡狀態(tài)。

PN正向?qū)ǎ涸赑N結(jié)上加正向偏置電壓。將會打破上述的平衡狀態(tài)，外電場將抵消內(nèi)電場，此時PN結(jié)中的多子（P區(qū)的多子空穴與N區(qū)的多子自由電子的總和）將會從P區(qū)到N區(qū)運(yùn)動形成導(dǎo)通電流，當(dāng)然正向偏置電壓要達(dá)到一定條件（硅為0.7V，鍺為0.3V）才能抵消內(nèi)電場（部分抵消則為不完全開啟，抵消則為完全開啟），才能導(dǎo)通（這也是二極管為什么要開機(jī)啟電壓的根本原因）。

PN反向截止：在PN結(jié)上加反向偏置電壓。

將會打破上述的平衡狀態(tài)，外電場與內(nèi)電場疊加，此時PN結(jié)中的少子（P區(qū)的少子自由電子與N區(qū)的少子空穴的總和）將在疊加后電場的作用下產(chǎn)生漂移運(yùn)動將會從N區(qū)到P區(qū)運(yùn)動）。

但是因?yàn)樯僮雍苌偌幢闼械纳僮佣紖⒓悠七\(yùn)動，反向電流也很小，在實(shí)際情況下忽略不計(jì)。

因此認(rèn)為PN結(jié)加反向電壓時將截止，不導(dǎo)通。

上面說了PN結(jié)的導(dǎo)通與截止，我們最后再說說PN結(jié)的擊穿特性，因?yàn)閷?shí)際的電路設(shè)計(jì)中穩(wěn)壓管也是常用的電子元器件，而穩(wěn)壓管又是利用PN結(jié)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(jié)的擊穿原因有兩種。

一：齊納擊穿。

因?yàn)镻N結(jié)摻雜濃度高，使其耗盡層很薄，根據(jù)電場強(qiáng)度E=u/d，但d很小時，很小的反向電壓u都會產(chǎn)生很大的電場強(qiáng)度，隨著強(qiáng)電場的作用下，將直接破壞共價鍵以致生產(chǎn)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(jù)電場強(qiáng)度E=u/d，當(dāng)反向電壓很大時，電場強(qiáng)度也將增大，此時PN結(jié)中的少子漂移運(yùn)動的速度將很快，撞擊在共價鍵中將破壞共價鍵，從而產(chǎn)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(jié)的結(jié)電容！

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

PN結(jié)面積越小，它能承受的電流也就越小，其結(jié)電容越小，因此面積小的PN結(jié)適合用于小電流，高頻電流中，如脈沖數(shù)字電路中的開關(guān)管。