當(dāng)N型材料與P型材料熔合在一起時形成PN結(jié)，從而形成半導(dǎo)體二極管。
在前面的文章中，我們分享了如何通過用少量銻摻雜硅原子來制造N型半導(dǎo)體材料，以及如何通過用硼摻雜另一個硅原子來制造P型半導(dǎo)體材料。
這一切都很好，但這些新?lián)诫s的N型和P型半導(dǎo)體材料本身很少，因為它們是電中性的。然而，如果我們將這兩種半導(dǎo)體材料連接（或熔合）在一起，它們以非常不同的方式合并在一起并產(chǎn)生通常稱為“ PN結(jié) ”的東西。
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，在PN結(jié)的兩側(cè)之間存在非常大的密度梯度。結(jié)果是來自施主雜質(zhì)原子的一些自由電子開始遷移穿過這個新形成的結(jié)，以填充P型材料中產(chǎn)生負(fù)離子的空穴。
然而，由于電子已經(jīng)穿過PN結(jié)從N型硅移動到P型硅，它們在負(fù)側(cè)留下帶正電荷的施主離子（ N D），現(xiàn)在來自受主雜質(zhì)的空穴遷移穿過在相反方向上的結(jié)連接到存在大量自由電子的區(qū)域。
結(jié)果，沿著結(jié)的P型電荷密度被帶負(fù)電的受主離子（N A ）填充 ，并且沿著結(jié)的N型電荷密度變?yōu)檎?。這種電子和空穴穿過PN結(jié)的電荷轉(zhuǎn)移稱為擴(kuò)散。這些P和N層的寬度取決于每側(cè)摻雜受主密度N A和施主密度N D的重量。
該過程來回繼續(xù)，直到已經(jīng)越過結(jié)的電子數(shù)量具有足夠大的電荷以排斥或防止任何更多的電荷載流子越過結(jié)。最終將發(fā)生平衡狀態(tài)（電中性情況），在結(jié)點區(qū)域周圍產(chǎn)生“勢壘”區(qū)域，因為供體原子排斥空穴并且受體原子排斥電子。
由于沒有自由電荷載流子可以停留在存在勢壘的位置，因此與遠(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 Junction周圍的這個區(qū)域現(xiàn)在稱為Depletion Layer。
半導(dǎo)體PN結(jié)
半導(dǎo)體pn結(jié)圖
半導(dǎo)體PN結(jié)的每一側(cè)的總電荷必須相等且相反，以保持PN結(jié)周圍的中性電荷條件。因此，如果耗盡層區(qū)域具有距離D，則因此必須在正側(cè)通過Dp的距離進(jìn)入硅，并且負(fù)側(cè)的距離Dn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。
半導(dǎo)體PN結(jié)距離
半導(dǎo)體pn結(jié)距離圖
由于N型材料已經(jīng)失去電子并且P型失去了空穴，所以N型材料相對于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，其中N側(cè)相對于P側(cè)具有正電壓?，F(xiàn)在的問題是，自由電荷需要一些額外的能量來克服現(xiàn)在存在的屏障，使其能夠穿過耗盡區(qū)結(jié)。
這種由擴(kuò)散過程產(chǎn)生的電場在結(jié)點上產(chǎn)生了“內(nèi)置電位差”，具有開路（零偏置）電位：
半導(dǎo)體PN結(jié)電位圖
其中：E o是零偏結(jié)電壓，V T是室溫下26mV的熱電壓，N D和N A是雜質(zhì)濃度，n i是本征濃度。
在半導(dǎo)體PN結(jié)的兩端之間施加的合適的正電壓（正向偏壓）可以提供具有額外能量的自由電子和空穴。克服現(xiàn)有的勢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際溫度。
通常在室溫下，硅的耗盡層上的電壓約為0.6-0.7伏，而鍺的電壓約為0.3-0.35伏。即使器件未連接到任何外部電源，也會始終存在這種勢壘，如二極管所示。
跨越結(jié)點的這種內(nèi)置電位的重要性在于它反對穿過結(jié)的空穴和電子的流動，這就是它被稱為勢壘的原因。在實踐中，半導(dǎo)體PN結(jié)形成在單晶材料內(nèi)，而不是簡單地將兩個單獨的片連接或熔合在一起。
該過程的結(jié)果是PN結(jié)具有整流電流 - 電壓（IV或I-V）特性。電觸點熔合到半導(dǎo)體的任一側(cè)上，以實現(xiàn)與外部電路的電連接。所形成的電子器件通常稱為半導(dǎo)體PN結(jié)二極管或簡稱為信號二極管。
然后我們在這里看到，可以通過將不同摻雜的半導(dǎo)體材料連接或擴(kuò)散在一起來制造PN結(jié)，以產(chǎn)生稱為二極管的電子器件，其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，太陽能電池，以及更多這樣的固態(tài)設(shè)備。
大約在半導(dǎo)體PN結(jié)的下一個教程中，我們將著重講述最有趣的應(yīng)用程序的一個PN結(jié)是其在電路中的二極管使用。通過在P型和N型材料的每一端添加連接，我們可以產(chǎn)生一個稱為半導(dǎo)體PN結(jié)二極管的雙端器件，它可以通過外部電壓偏置，阻止或允許電流流過它。
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