當(dāng)N型材料與P型材料熔合在一起形成半導(dǎo)體二極管時(shí)形成PN結(jié)

在前面的教程中，我們看到了如何制作N型通過(guò)用少量銻摻雜硅原子來(lái)制作半導(dǎo)體材料，以及如何通過(guò)用硼摻雜另一個(gè)硅原子來(lái)制造P型半導(dǎo)體材料。

這一切都很好，但這些新?lián)诫sN型和P型半導(dǎo)體材料本身很少，因?yàn)樗鼈兪请娭行缘?。然而，如果我們將這兩種半導(dǎo)體材料連接（或熔合）在一起，它們會(huì)以非常不同的方式合并在一起并產(chǎn)生通常所知的“PN結(jié)”。

當(dāng)首先將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體材料連接在一起時(shí)，在PN結(jié)的兩側(cè)之間存在非常大的密度梯度。結(jié)果是來(lái)自施主雜質(zhì)原子的一些自由電子開(kāi)始遷移穿過(guò)這個(gè)新形成的結(jié)，以填充P型材料中產(chǎn)生負(fù)離子的空穴。

然而，因?yàn)殡娮佑袕腘型硅向P型硅移動(dòng)穿過(guò)PN結(jié)，它們?cè)谪?fù)側(cè)留下帶正電的施主離子（ N D ），現(xiàn)在來(lái)自受主雜質(zhì)的空穴沿相反方向穿過(guò)結(jié)點(diǎn)遷移到有大量自由電子的區(qū)域。

結(jié)果，沿著結(jié)點(diǎn)的P型電荷密度被填充帶負(fù)電的受體離子（ N A ），沿著結(jié)的N型電荷密度變?yōu)檎?。電子和空穴穿過(guò)PN結(jié)的電荷轉(zhuǎn)移稱為擴(kuò)散。這些P和N層的寬度取決于每個(gè)邊摻雜的受主密度 N A ，并且施主密度 N D

這個(gè)過(guò)程來(lái)回繼續(xù)，直到穿過(guò)結(jié)點(diǎn)的電子數(shù)量足夠大，以排斥或防止任何更多的電荷載流子越過(guò)結(jié)點(diǎn)。最終將發(fā)生平衡狀態(tài)（電中性狀態(tài)），在結(jié)點(diǎn)區(qū)域周圍產(chǎn)生“勢(shì)壘”區(qū)域，因?yàn)楣w原子排斥空穴并且受體原子排斥電子。

因?yàn)闆](méi)有自由電荷載流子可以停留在存在勢(shì)壘的位置，與遠(yuǎn)離結(jié)的N和P型材料相比，結(jié)的任一側(cè)上的區(qū)域現(xiàn)在變得完全耗盡了更多的自由載流子。PN結(jié)周圍的區(qū)域現(xiàn)在稱為耗盡層。

PN結(jié)

PN結(jié)每側(cè)的總電荷必須相等且相反，以保持結(jié)點(diǎn)周圍的中性電荷狀態(tài)。如果耗盡層區(qū)域的距離 D ，則因此必須穿透硅的距離 Dp 為正側(cè)，距離為 Dn 為負(fù)面給出兩者之間的關(guān)系： Dp * N A = Dn * N D 以維持電荷中性也稱為平衡。

PN結(jié)距離

由于N型材料已經(jīng)失去電子而P型失去了空穴，因此N型材料相對(duì)于P型變?yōu)檎?。然后，在結(jié)的兩側(cè)上存在雜質(zhì)離子導(dǎo)致在該區(qū)域上建立電場(chǎng)，其中N側(cè)相對(duì)于P側(cè)具有正電壓?，F(xiàn)在的問(wèn)題是，自由電荷需要一些額外的能量來(lái)克服現(xiàn)在存在的能夠穿過(guò)耗盡區(qū)結(jié)的勢(shì)壘。

這種由擴(kuò)散過(guò)程產(chǎn)生的電場(chǎng)產(chǎn)生了“內(nèi)置電位差“跨越具有開(kāi)路（零偏置）電位的結(jié)點(diǎn)：

其中： E o 是零偏壓結(jié)電壓， V T 室溫下26mV的熱電壓， N D 和 N A 是雜質(zhì)濃度， n i 是固有濃度。

在PN結(jié)的兩端之間施加的合適的正電壓（正向偏壓）可以為額外的能量提供自由電子和空穴?？朔F(xiàn)有的勢(shì)壘所需的外部電壓在很大程度上取決于所用半導(dǎo)體材料的類型及其實(shí)際溫度。

通常在室溫下，硅耗盡層的電壓約為0.6 - 0.7伏特和鍺約為0.3-0.35伏特。即使器件沒(méi)有連接到任何外部電源，這個(gè)潛在的屏障仍將存在，如二極管所示。

這種內(nèi)置電位在整個(gè)結(jié)點(diǎn)的重要性在于它反對(duì)這兩種流動(dòng)跨越結(jié)點(diǎn)的空穴和電子，這就是它被稱為勢(shì)壘的原因。實(shí)際上，PN結(jié)是在單晶材料中形成的，而不是簡(jiǎn)單地將兩個(gè)單獨(dú)的片連接或熔合在一起。

這個(gè)過(guò)程的結(jié)果是PN結(jié)具有整流電流 - 電壓（IV或I-V）特性。電觸點(diǎn)熔合到半導(dǎo)體的任一側(cè)上，以實(shí)現(xiàn)與外部電路的電連接。由此產(chǎn)生的電子器件通常稱為 PN結(jié)二極管或簡(jiǎn)稱信號(hào)二極管。

然后我們?cè)谶@里看到一個(gè)PN結(jié)可以通過(guò)將不同摻雜的半導(dǎo)體材料連接或擴(kuò)散在一起來(lái)制造稱為二極管的電子器件，該電子器件可以用作整流器的基本半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所有類型的晶體管，LED，太陽(yáng)能電池以及更多這樣的固態(tài)器件。

在下一個(gè)關(guān)于PN結(jié)的教程中，我們將看一下PN結(jié)最有趣的應(yīng)用之一是它在電路中用作二極管。通過(guò)在 P-type 和 N-type 材料的每一端添加連接，我們可以生成一個(gè)稱為PN結(jié)二極管的雙端器件，它可以被外部偏置電壓阻止或允許電流流過(guò)它。