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(duì)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(duì)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(jià)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(jià)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(jià)元素硅）對(duì)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(jià)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€(gè)電子，與最外層帶四個(gè)電子的硅原子形成共價(jià)鍵之后，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(jià)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€(gè)電子，與最外層帶四個(gè)電子的硅原子形成共價(jià)鍵之后，將會(huì)剩下一個(gè)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(jià)電子在熱運(yùn)動(dòng)（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(jià)電子在熱運(yùn)動(dòng)（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(shí)在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位置，稱為空穴，原子因失去一個(gè)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(jiǎn)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(shí)它，并使用它！

物質(zhì)為什么會(huì)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(dòng)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(dòng)也就不會(huì)導(dǎo)電，形成電流。

對(duì)于導(dǎo)體它原子里面因?yàn)闆]有共價(jià)鍵因此不會(huì)有空穴，只會(huì)有自由電子這一種載流子，而半導(dǎo)體里面因?yàn)橛泄矁r(jià)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(huì)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(dòng)）也就越劇烈，將會(huì)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(dòng)，難道PN結(jié)具有單向?qū)щ娦允且驗(yàn)檩d流子只朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)嗎？

其實(shí)不然，真相到底是什么呢？客官請(qǐng)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(dòng)，使得PN結(jié)導(dǎo)通，少子因漂移運(yùn)動(dòng)從PN結(jié)的N區(qū)到P區(qū)的運(yùn)動(dòng)，但因?yàn)樯僮雍苌偌幢闳康纳僮佣紖⑴c漂移運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的電流都極小。

在實(shí)際的運(yùn)用當(dāng)中一般都會(huì)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(dòng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)又是什么呢？

PN結(jié)中的載流子一般又是朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的？

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

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

PN結(jié)中的載流子運(yùn)動(dòng)方向：PN結(jié)其實(shí)是處于一種內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)平衡的狀態(tài)中，就是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，只有外部加入其它電場(chǎng)才會(huì)破會(huì)這種平衡，導(dǎo)電性才會(huì)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(dòng)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(jià)元素形成P型半導(dǎo)體，其多子是空穴、濃度高。

摻入五價(jià)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(chǎng)（會(huì)使得載流子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)）將阻礙擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，兩種運(yùn)動(dòng)相互作用于載流子，載流子則會(huì)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(huì)打破上述的平衡狀態(tài)，外電場(chǎng)將抵消內(nèi)電場(chǎng)，此時(shí)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(huì)從P區(qū)到N區(qū)運(yùn)動(dòng)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(chǎng)（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(huì)打破上述的平衡狀態(tài)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)疊加，此時(shí)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(chǎng)的作用下產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)將會(huì)從N區(qū)到P區(qū)運(yùn)動(dòng)）。

但是因?yàn)樯僮雍苌偌幢闼械纳僮佣紖⒓悠七\(yùn)動(dòng)，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(shí)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(chǎng)強(qiáng)度E=u/d，但d很小時(shí)，很小的反向電壓u都會(huì)產(chǎn)生很大的電場(chǎng)強(qiáng)度，隨著強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，將直接破壞共價(jià)鍵以致生產(chǎn)更多的空穴與自由電子對(duì)，形成大的電路流，PN將因此燒壞。

二：雪崩擊穿。

根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度E=u/d，當(dāng)反向電壓很大時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度也將增大，此時(shí)PN結(jié)中的少子漂移運(yùn)動(dòng)的速度將很快，撞擊在共價(jià)鍵中將破壞共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生空穴和自由電子對(duì)，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(shì)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(shí)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。