PN结的形成

空穴的产生

当半导体内掺入硼原子后，相当于占据了一个硅原子（锗原子）的位置，因为硼原子最外层只有3个电子，当这些电子与周围硅原子（锗原子）形成共价键的时候，自然就空出一个位置。因此，周围的硅原子（锗原子）的电子很容易就可以跑到空出的位置上，从而形成空穴。所谓空穴的移动，其实是这些电子在移动，方向相反，我觉得这一点和导体内电流方向与自由电子移动相反差不多。

其次是PN结正负电荷的产生。先要说明扩散运动和漂移运动的区别。扩散运动指的是由于浓度的差异而引起的运动；而漂移运动则是指在电场作用下载流子的运动。当在P型半导体部分区域掺入磷原子或在N型半导体部分区域掺入硼原子之后，由于扩散运动电子和空穴会在交界处复合，磷原子失去电子变成正电荷，硼原子得到电子变成负电荷，形成内部电场阻止多子的扩散。

当加上正向电压（正偏）且大于0.5V时，在外电场的作用下，多子向PN结运动，负电荷得到空穴中和，正电荷得到电子中和，因而PN结变窄，扩散运动较之前又会变强。同时，因为电源不断补充电子和空穴，使得多子的运动得以持续形成电流。

当加上反向电压（反偏）时，与内部电场方向一致，多子向PN结反方向移动使PN结变宽，只有少子的漂移运动，因为数目很少，所以形成的反向电流近乎于0，可认为阻断。要注意的是，若反向电压过大，则会导致击穿。原因是电场强制性地将电子拉出变成自由电子；而且当反向电流很大时发热也会很厉害，而半导体受温度影响很大，当温度升高时导电性会急剧增加。

 

PN结的形成

在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:

       因浓度差

           ↓

     多子的扩散运动®由杂质离子形成空间电荷区

                         ↓

             空间电荷区形成形成内电场

               ↓                   ↓

   内电场促使少子漂移        内电场阻止多子扩散

    最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。

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补充： 空穴与电子对

    我们知道，世界上的任何物质都是由原了构成的。原子中间都有一个原子核和者围绕原子核不停地旋转酌电子。不同元素的原子 所包含的电子数目是不同的。蔗原子的原子核周围有32个电子，围绕着原子核运动。原子核带有正电荷．电子带有负电荷；正电荷的数量刚好和全部电子的负电荷 数量相等，所以在平时锗原子是中性的。

    电子围绕原子核运动，和地球围绕太阳远行相似。在核的引力作用下，电子分成几层按完全确定的轨道运行，而且各层所能容纳的电子数日也有一定规律。如图所 示：在锗原子核周围的32个电子组成四层环，围绕原子核运动。从里往外数，第一层环上有2个电子，其余依次为8、18、4个电子。凡是环上的电子数为2、 8、18时．这些环上的电子总是比较稳定的。若环上的电子数不等于以上各数时，这些环上的电子总是不太稳定。

    因此，锗原子结构中，第一、二、三层的电于是稳定的，只有第四层(即最外一“层)的4个电于是不稳定的。因最外一层的电子没有填满到规定的数目。我们把最 外一层的电子叫做价电子。一般来说，最外层有几个价电子，其原子价就为几。锗的最外层有4个价电子，所以锗的原子价为4。

    受外界作用，环上的电子可以克服原子核的吸引力而脱离原子，自由活动成为自由电子。这些自由电子在电场力的作用下，产生空间运动，就形成了电流。可以想 像，由于最外层的价电子离核比较远，所受引力最小，所以最容易受外界影响而形成自由电子。因此，从导电性能看，价电子是很重要的。我们所说的锗元素就是依 靠它最外层的4个价电子进行导电的。  

     锗晶体内的原子很整齐的排列着。各个原子间有相互排斥的力量，而每个原子除了吸引自己的价电子外，还吸引相邻原子的价电子。因此，两个相邻原子的价电子便 成对地存在。这一对电子同时受这两个原子核的吸引，为它们所“共有”。这两个相邻原子也通过这个电子对被联系在一起。这样，电子对就好像起了键(联结)的 作用，我们叫它共价键。每一个锗原子以其4个价电子与其他4个锗原子的价电子组成4个共价键而达到稳定状态。

    在理想情况下，锗晶体中所有的价电子都织成了电子对，因此没有自由电子，这时锗晶体是不易导电的。

    但在外力作用下，如受温度变化，其中可能会有一个价电子脱离键的束缚，挣脱共价键而跳出来，成为自由电子。这时共价键中出现了一个空位，我们把这个空位叫 做空穴。由于原子本身正电荷和负电荷相等，故原子失去了电子后，整个原子就带正电荷，称为正离子。正离子容易吸引相邻原子的价电子来填补，电子离开后所留 下的空位，使相邻原子中又出现空穴，而这个新出现的空穴，又可能为别的电子去填充。电子这样不断地填充空穴，就使空穴的位置不断地在原子问转移。空穴的转 移，实际上也是电子(电荷)的运动，所以也就形成电流，这叫做空穴流。而原来失去的屯子，在晶体中运动，形成了电子流。为了便于叙述，今后就认为空穴在运 动，而且把它当作一个正电荷来看(实际上是空穴所在的原子呈现一个单位正电荷的电量)。由于空穴和电子都带有电荷，它们的运动都形成电流，所以就统称它们 为载流子。

    一块不含有杂质的、品格完整的半导体叫做本征半导体。因为它品格完整，如果有一个电子从共价键中释放出来，必定留下一个空众。所以本征半导体中电子和空众 总是成对地出现，它们的数日相等，称为电子一空穴对。在常温下，由于热运动的结果，在本征半导体中会产生一定数量的电子一空穴对，形成电子流和空穴流，总 的电流是两者之和。如没有外界电场作用，电子和空穴的这种运动是杂乱无章的，电子流和空穴流方向也是不定的，结果互相抵消，没有净电流出现。但在电场作用 下，这种半导体两端就出现电压，电子向正端方向运动，空穴向负端方向运动，形成了定向电流，半导体内就产生电流了。本征半导体因电场作用而产生的导电现象 就叫本征导电。

    通常，我们很少见到本征半导体，大多遇到的都是P型半导体或N型半导体。

    前面说过，半导体中加进了杂质，电阻率就大大降低。这是因为加进杂质后，空穴和电子的数目会大大增加。例如，在锗晶休中掺入很少一点三价元素铟，由于铟的 价电子只有三个，渗入锗晶体后，它的三个价电子分别和相邻的三个锗原子的价电子组成共价键，而对相邻的第四个锗原子，它没有电于拿出来和这个锗原子“共 有”了，这就留下了一个空穴(见图1一3(c))。因为掺入了少量的杂质铟，就会出现很多空穴；这是因为即使是少量的，里面含有的原子数目却不少。杂质半 导体中空穴和电子数目不相等，在电场作用下，空穴导电是主要的，所以叫空穴型半导体或者说是P型半导体。换句话说，P型或空穴型半导体内是有剩余空穴的， 掺入的杂质提供了剩余空穴。在P型半导体中，空穴是多数，所以称空穴为多数载流子；电子数目少，就叫少数裁流子。渗入的杂质能产生空穴接受电子，我们叫这 种杂质为受主杂质。

    如果把五价元素砷掺入锗晶体中，砷原子中有5个价电于，它和四个锗原子的价电子组成共价键后，留下一个剩余电子，这个剩余电子就在晶体中到处游荡，在外电 场作用下形成定向电子流。掺入少量的砷杂质就会产生大量的剩余电子，所以称这种半导体为电子型半导体或N型半导体。在这种半导体中有剩余电子，这时电子是 多数载流子，而空穴是少数载流子。因为砷是施给剩余电子的杂质，所以叫做施主杂质。

    如果没有外电场的作用，不论N型或P型半导体，它们的载流子运动是无规则的，因此，不会形成电流

    把一块P型半导休和N型半导体紧密联接在一起时(实际上只能用化学方法将两个原来独立的锗片合在一起)．就会发现一个奇怪的现象，即在它们的两端加上适当 的电压时，会产生单向导电观象。因为这时在它们的交界面上形成了一个所谓P—N结的结构，单向导电现象就发生在这一薄薄的P—N结中。P—N结是晶体管的 基础，它是由扩散形成的。

    我们知道，P型半导体内空穴是多数载流子，即空穴的浓度大；而N型半导体内电子是多数载流予，电子的浓度大。二者接触之后，由于在P型区和N型区内电子浓 度不同，N型区的电子多，就向P型区扩散，扩散的结果如图1—4(b)所示。N型区薄层I中部分电子扩散到P型区去，薄层I便因失去电于而带正电。另一方 面，P型区的空穴多，也会向空穴浓度小的N型区扩散，结果一部分空穴从薄层I向P(型区扩散，使薄层Ⅱ带负电。

    电于和空穴的扩散是同时进行的，总的结果，P型区薄层Ⅱ流走了空灾，流进了电子，所以带负电，而N型区的薄层I流走了电子，流进了空穴，因而带正电，而且 随着扩散现象的继续进行，薄层逐渐变厚，所带的电量也逐渐增加。不过，这种扩散现象不会无休止的进行下去；当扩散进行到一定程度后，薄层Ⅱ带了很多负电， 从N型区向P型区扩散的电子总数因电子受到它的排斥不再继续增加；同样道理，从P型区向N型区扩散的空灾总数也不再增加。于是扩散似乎不再继续，而达到所 谓“动态平衡状态”。这时P—N结也就形成了。

    所谓P—N结，就是指薄层I和Ⅱ所构成的带电结构。因为它能阻止电子和空穴的继续扩散，所以也叫阻挡层。它们之间的电位差一般称势垒或位垒。