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P型和N型材料

P型材料：空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。

N型材料：電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。

P型和N型材料的應(yīng)用

PN結(jié)：所有半導(dǎo)體器件的基本構(gòu)建塊。

應(yīng)用：光電二極管、光敏二極管、發(fā)光二極管（LED）和變?nèi)荻O管（Varactor），這些二極管具有可變電容。

 

什么是PN結(jié)？

定義：PN結(jié)是所有半導(dǎo)體器件的基本構(gòu)建塊。

主要電氣特性：它只允許電流在一個方向上輕松流動。

PN結(jié)通常被稱為二極管。

 

PN結(jié)的能帶圖

P型和N型的能量帶圖：能量帶的主要特征是電子能量狀態(tài)在寬范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。

價帶（Valence Band）：最上面的幾乎填滿的帶。

導(dǎo)帶（Conduction Band）：最下面的幾乎空的帶。

帶隙（Band Gap）：它們之間的距離。

費米能級（Fermi Level）：在絕對零度時，電子可能占據(jù)的最高能級。

Ec：導(dǎo)帶底邊的表示。

Ev：價帶頂邊的表示。

Eg：導(dǎo)帶與價帶之間的差值（Ec - Ev）。

EI：本征能級。

 

PN結(jié)的形成

N型和P型摻雜的硅（或鍺）連接在一起形成PN結(jié)。

形成過程：在PN結(jié)的右側(cè)和左側(cè)，大量的空穴想要向左移動，大量的電子想要向右擴(kuò)散。

擴(kuò)散過程：由于摻雜劑（如砷和硼）被固定在晶格中，電子和空穴是自由移動的。

 

理想PN結(jié)

空穴向冶金結(jié)的左側(cè)擴(kuò)散，并與那里的電子結(jié)合，留下帶負(fù)電的受主區(qū)域。同樣，當(dāng)電子向右擴(kuò)散時，留下帶正電的施主中心。

擴(kuò)散過程最終會停止：因為試圖擴(kuò)散的載流子會被不斷增加的固定電荷（施主中心想要保留電子，受主中心想要保留空穴）電靜力吸引。最終達(dá)到平衡。

耗盡區(qū)（Depletion Region）：由于這些固定電荷產(chǎn)生的電場減緩了擴(kuò)散過程。這個區(qū)域被稱為耗盡區(qū)，因為在這個固定電荷區(qū)域中沒有自由載流子，也被稱為空間電荷區(qū)，自由載流子仍然存在于這個區(qū)域之外。

熱平衡條件下的能級圖

帶電粒子的運動產(chǎn)生電流（帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴）。載流子指的是帶電的電子和空穴。

在半導(dǎo)體中，有兩種主要機(jī)制驅(qū)動電子和空穴運動：

擴(kuò)散電流（Diffusion Current）：由于濃度變化導(dǎo)致的流動。

漂移電流（Drift Current）：由電場引起的運動。

熱平衡（無外加電場，無凈電流流動） 

由于電流方向相反，在熱平衡狀態(tài)下，不存在凈電流流動。在非平衡狀態(tài)下，一種電流流動機(jī)制會優(yōu)先于另一種，從而產(chǎn)生凈電流流動。對于希望從n型層擴(kuò)散到p層的電子，存在一個勢壘。 

PN結(jié)勢壘高度

內(nèi)建電勢和結(jié)電勢都指的是p-n結(jié)上的勢壘高度Vbi。這個相應(yīng)勢壘的勢能為qVbi。由于電子能量在能級圖中向上為正，因此電子勢能將向下為正。

 

PN結(jié)的偏置條件

PN結(jié)在偏置狀態(tài)下意味著施加電壓。零偏壓、正向外加電壓、反向外加電壓的能帶行為如下圖所示。

 

在平衡狀態(tài)下

當(dāng)p-n結(jié)處于平衡時，兩側(cè)的費米能級相匹配。在結(jié)處，電子和空穴達(dá)到平衡并形成耗盡區(qū)。圖中的向上箭頭表示電子能量的增加。這意味著你需要提供能量才能使電子在圖中向上移動，或者使空穴在圖中向下移動。 

 

在正向偏置時

為了正向偏置p-n結(jié)，p側(cè)被設(shè)置為更正電，從而使電子跨越結(jié)的遷移變得“下坡”。靠近結(jié)處的一個空位或“空穴”可以被一個跨越它的電子填補。然后可以說，空穴向右移動，因為它從一個空位移動到另一個空位，向左朝正極移動。在圖中，電子從右向左傳導(dǎo)，向上的趨勢表示電子能量的增加。 

 

在反向偏置時

為了反向偏置p-n結(jié)，p側(cè)被設(shè)置為更負(fù)電，從而使電子跨越結(jié)變得“上坡”。在圖中，電子從右向左傳導(dǎo)，向上的趨勢表示電子能量的增加。

 

耗盡區(qū)（Depletion Region）

定義：耗盡指的是某種物質(zhì)數(shù)量的減少，耗盡層是由于PN結(jié)區(qū)域的載流子擴(kuò)散導(dǎo)致的。

特性：耗盡區(qū)是由不可移動的離子組成的，因為耗盡層既包含電子也包含質(zhì)子，但它們本質(zhì)上是不可移動的。耗盡區(qū)中的勢壘是由離子引起的。

作用：由于半導(dǎo)體中的耗盡區(qū)，電荷的流動速度減慢。這個區(qū)域作為阻止電子從半導(dǎo)體的N側(cè)移動到P側(cè)的障礙。

PN結(jié)中的“Downhill”和“Uphill”

下坡（Downhill）：在正向偏置條件下，P側(cè)被加正電壓，電子通過PN結(jié)的運動為“下坡”。

上坡（Uphill）：在反向偏置條件下，P側(cè)被加負(fù)電壓，電子通過PN結(jié)的運動為“上坡”。