简述pn结的形成及原理

原理如下：

PN结是由一个N型掺杂区和一个P型掺杂区紧密接触所构成的，其接触界面称为冶金结界面。

在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，我们称两种半导体的交界面附近的区域为PN结。

在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内自由电子为多子空穴几乎为零称为少子，而P型区内空穴为多子自由电子为少子，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。

相关特性：

从PN结的形成原理可以看出，要想让PN结导通形成电流，必须消除其空间电荷区的内部电场的阻力。很显然，给它加一个反方向的更大的电场，即P区接外加电源的正极，N区结负极，就可以抵消其内部自建电场，使载流子可以继续运动，从而形成线性的正向电流。

而外加反向电压则相当于内建电场的阻力更大，PN结不能导通，仅有极微弱的反向电流（由少数载流子的漂移运动形成，因少子数量有限，电流饱和）。

当反向电压增大至某一数值时，因少子的数量和能量都增大，会碰撞破坏内部的共价键，使原来被束缚的电子和空穴被释放出来，不断增大电流，最终PN结将被击穿（变为导体）损坏，反向电流急剧增大。

这就是PN结的特性（单向导通、反向饱和漏电或击穿导体），也是晶体管和集成电路最基础、最重要的物理原理，所有以晶体管为基础的复杂电路的分析都离不开它。

当 N 型半导体和 P 型半导体材料首次结合在一起时，PN 结两侧之间存在非常大的密度梯度。结果是，来自施主杂质原子的一些自由电子开始迁移穿过这个新形成的结，以填充 P 型材料中的空穴，从而产生负离子。

然而，由于电子已经从 N 型硅穿过 PN 结移动到 P 型硅，它们在负侧留下带正电的施主离子 ( N D )，现在来自受主杂质的空穴迁移穿过反方向的结进入有大量自由电子的区域。

结果，沿结的 P 型电荷密度被带负电的受体离子（ N A ）填充，沿结的 N 型电荷密度变为正。这种跨越 PN 结的电子和空穴的电荷转移称为扩散。这些 P 层和 N 层的宽度取决于每一侧分别掺杂受主密度N A和施主密度N D的程度。

这个过程来回持续，直到已经穿过结的电子数量具有足够大的电荷以排斥或阻止任何更多的电荷载流子穿过结。最终将出现平衡状态（电中性情况），当供体原子排斥空穴而受体原子排斥电子时，在结区域周围产生一个“势垒”区域。

由于没有自由电荷载流子可以停留在存在势垒的位置，因此与远离结的 N 和 P 型材料相比，结两侧的区域现在完全耗尽了任何更多的自由载流子。PN 结周围的这个区域现在称为耗尽层。

PN 结每一侧的总电荷必须相等且相反，才能在结周围保持中性电荷状态。如果耗尽层区域的距离为D，则它因此必须在正极侧穿透Dp的距离，在负极侧穿透Dn的距离，给出两者之间的关系： Dp*N A = Dn*N D 以保持电荷中性也称为平衡。

由于 N 型材料失去了电子而 P 型材料失去了空穴，因此 N 型材料相对于 P 型变为正。然后，在结的两侧存在杂质离子会导致在该区域上建立电场，N 侧相对于 P 侧处于正电压。现在的问题是，自由电荷需要一些额外的能量来克服现在存在的势垒，才能穿过耗尽区结。

在PN结的两端之间施加一个合适的正向电压（正向偏压）可以为自由电子和空穴提供额外的能量。克服目前存在的这种势垒所需的外部电压在很大程度上取决于所使用的半导体材料的类型及其实际温度。

通常在室温下，硅耗尽层两端的电压约为 0.6 – 0.7 伏，锗约为 0.3 – 0.35 伏。即使设备没有连接到任何外部电源，这种势垒也始终存在，如二极管所示。

这种跨结的内置电位的意义在于它反对空穴和电子穿过结的流动，这就是为什么它被称为势垒的原因。在实践中，PN 结是在单晶材料中形成的，而不是简单地将两个单独的部件连接或熔合在一起。

这一过程的结果是 PN 结具有整流电流-电压（IV 或 I-V）特性。电触点熔接到半导体的任一侧，以现与外部电路的电连接。制成的电子器件通常称为PN 结二极管或简称为信号二极管。

然后我们在这里看到，可以通过将不同掺杂的半导体材料连接或扩散在一起来制造 PN 结，以生产称为二极管的电子器件，该器件可用作整流器、所有类型的晶体管、LED、太阳能电池的基本半导体结构，以及更多这样的固态设备。

p-n结是半导体单晶内两种半导体材料p型和n型之间的边界或界面。

“p”（正）侧包含过量的空穴，而“n”（负）侧在电中性原子的外壳中包含过量的电子。这允许电流仅沿一个方向通过结。

pn结是通过掺杂产生的，例如通过离子注入、掺杂剂的扩散或通过外延。（在用另一种类型的掺杂剂掺杂的晶体层上生长一层用一种类型的掺杂剂掺杂的晶体）。如果使用两块单独的材料，这将在半导体之间引入晶界，从而通过散射电子和空穴而严重抑制其效用。

p-n 结是半导体电子器件的基本“构件”，例如二极管、晶体管、太阳能电池、LED和集成电路；它们是设备的电子动作发生的活动场所。

例如，一种常见类型的晶体管，双极结型晶体管，由两个串联的 p-n 结组成，形式为 n-p-n 或 p-n-p；而二极管可以由单个pn结制成。肖特基结是 ap-n 结的一种特殊情况，其中金属起到 n 型半导体的作用。

1、N型半导体

掺入少量杂质磷元素（或锑元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子。

于是，N型半导体就成为了含自由电子浓度较高的半导体，其导电性主要是因为自由电子导电。

2、P型半导体

掺入少量杂质硼元素（或铟元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。

这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”（“相当于”正电荷），成为能够导电的物质。

3、PN结的形成

采用一些特殊的工艺（见本条目后面的段落），可以将上述的P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起。在二者的接触面的位置形成一个PN结。

属性

p-n 结具有现代电子学的基本特性。p 掺杂的半导体是相对导电的。n 掺杂半导体也是如此，但它们之间的结可能耗尽电荷载流子，因此不导电，这取决于两个半导体区域的相对电压。

通过 *** 纵这个非导电层，p-n 结通常用作二极管：允许电流在一个方向但不允许在另一个（相反）方向流动的电路元件。偏置是在 ap-n 结上施加电压；正向偏置是在容易的电流流动的方向，并且反向偏置是指电流很少或没有电流流动的方向。

p-n 结的正向偏置和反向偏置特性意味着它可以用作二极管。p-n 结二极管允许电荷沿一个方向流动，但不能沿相反方向流动；负电荷（电子）可以很容易地通过结从 n 流到 p，但不能从 p 流到 n，而空穴则相反。

当 p-n 结正向偏置时，由于 p-n 结的电阻减小，电荷自由流动。然而，当 p-n 结反向偏置时，结势垒（因此电阻）变得更大，电荷流最小。

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