1.1 PN结的形成

物质的导电特性主要取决于其原子结构，根据导电性能的不同，可把物体分为导体、半导体和绝缘体三大类。其中，导电特性较好，如金、银、铜、铝、铁等金属物质被称为导体，这类物质的原子最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子；导电性能很差，如玻璃、橡胶、塑料、陶瓷等物质被称为绝缘体，其最外层电子极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗、硒等物质称为半导体，半导体具有热敏性、光敏性、掺杂性等一些特殊的性能，因此得到了广泛的应用。

1.1.1 本征半导体

本征半导体是一种纯净的、具有晶体结构的半导体，也称为晶体。常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge），其原子结构如图1-1a、b所示。硅和锗的最外层都有四个价电子，是四价元素，简化原子结构模型如图1-1c所示。

在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合，每一个原子的一个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对，形成晶体中的共价键结构，如图1-2所示为硅的共价键结构示意图。

在热力学温度 T =0K和无外界能量激发的条件下，价电子不能脱离共价键的束缚而成为自由电子，这时半导体不具有导电能力，相当于绝缘体。若温度升高或受到光照等刺激，晶体中的价电子从外界获得了足够的能量，某些价电子就能摆脱共价键束缚而成为自由电子，同时在共价键中留下空位，称为空穴。在本征半导体中，电子和空穴总是成对出现的，称为电子-空穴对，若电子和空穴结合则称为复合。

当共价键中出现了空穴后，邻近共价键中的价电子就很容易过来填补这个空位，同时又会出现新的空位，然后其他的价电子又可能会填补新的空穴，这种过程持续进行，就相当于一个空穴在晶体中移动，如图1-3所示。脱离共价键的自由电子带负电，空穴失掉一个电子带正电。当在外电场作用下，带负电荷的自由电子产生定向移动，形成电子电流；另一方面，价电子也按一定方向依次填补空穴，相当于空穴产生了定向移动，形成空穴电流。

由此可见，半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。在本征半导体中，一定温度条件下自由电子和空穴成对出现，同时又不断复合，载流子的产生和复合达到动态平衡，自由电子和空穴维持一定的浓度。随着温度升高，载流子的浓度按指数规律增加。因此，半导体的导电性能受温度影响很大。

1.1.2 杂质半导体

1. N型半导体

在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等五价元素，与相邻的四个硅（或锗）原子形成共价键后，还多余一个电子，故而产生大量不受共价键束缚的自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，如图1-4a所示。其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。

2. P型半导体

在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等三价元素，与相邻的四个硅（或锗）原子形成共价键中，有一对是缺少一个电子的，故而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体，如图1-4b所示。其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。

无论是P型半导体还是N型半导体都是电中性的，对外不显电性。掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量就越多，而少数载流子的数量取决于温度。

1.1.3 PN结及其特性

1. PN结的形成

将P型半导体和N型半导体用特殊的工艺结合在一起时，就会在两种半导体的交界面处形成一个特殊的薄层，称为PN结，如图1-5所示。在PN结的形成过程中，半导体中载流子的运动方式包含了扩散运动和漂移运动两种。

由于两种掺杂半导体材料中载流子的浓度相差很大，使P型半导体中的空穴向N型半导体扩散，同时N型半导体中的电子向P型半导体扩散，称为扩散运动，如图1-6所示。

扩散运动的结果是在交界面的P区一侧出现了一个负电荷区，而在N区一侧出现了一个正电荷区，从而形成了一个由N区指向P区的内电场。内电场形成后，阻挡了多数载流子的扩散运动，同时使P区的少数载流子-电子和N区的少数载流子-空穴越过空间电荷区进入对方区域，这种少数载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动，当扩散与漂移达到动态平衡时形成一定宽度的PN结，如图1-7所示。

2. PN结的特性

（1）外加正向电压（亦称正向偏置，简称正偏）

PN结正向偏置如图1-8所示。此时，P区接电到电源 E 的正极，是高电位，N区经过限流电阻 R 接电源 E 的负极，是低电位。在正向偏置状态下，外电场方向与PN结中内电场方向相反，削弱了内电场，使空间电荷区变窄，增强扩散运动，减弱漂移运动，使多数载流子能够在外加电场的作用下顺利地穿过PN结，形成了一个较大的正向电流 I ，PN结处于导通状态。

（2）外加反向电压（亦称反向偏置，简称反偏）

PN结反向偏置如图1-9所示。此时，P区接电到电源 E 的负极，是低电位，N区经过限流电阻 R 接电源 E 的正极，是高电位。在反向偏置状态下，外电场方向与PN结中内电场方向一致，增强了内电场，使空间电荷区变宽，减弱扩散运动，增强漂移运动，使多数载流子受PN结的阻挡无法通过，只有少数载流子在外加电场的作用下能够通过PN结，形成一个很小的反向电流 I ，PN结处于截止状态。在一定的温度条件下，反向电流达到一定数值后就不会随着反向电压的增加而增大，称为反向饱和电流。反向饱和电流对温度十分敏感，随温度升高反向饱和电流急剧增大。

由以上分析可知，在PN结两端外加不同方向的电压，会呈现出“正向导通，反向截止”的单向导电特性。 vTh/RpAS6KX5nvM5J5SuUV/LsR+IXJdFs1T3x7lol3hSK6iCDVgjKHYQsvAWwL80