PN半導(dǎo)體

定義

物質(zhì)存在的形式多種多樣，固體、液體、氣體、等離子體等等。我們通常把導(dǎo)電性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性差或不好的材料，如金剛石、人工晶體、琥珀、陶瓷等等，稱為絕緣體。而把導(dǎo)電、導(dǎo)熱都比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導(dǎo)體?？梢院唵蔚陌呀橛趯?dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體。與金屬和絕緣體相比，半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的，直到20世紀(jì)30年代，當(dāng)材料的提純技術(shù)改進(jìn)以后，半導(dǎo)體的存在才真正被學(xué)術(shù)界認(rèn)可。

1948年，威廉·肖克利的論文《半導(dǎo)體中的PN結(jié)和PN結(jié)型晶體管的理論》發(fā)表于貝爾實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部刊物。肖克利在1950年出版的《半導(dǎo)體中的電子和空穴》中詳盡地討論了結(jié)型晶體管的原理，與約翰·巴丁、沃爾特·布喇頓共同發(fā)明的點(diǎn)接觸型晶體管所采用的不同的理論。

pn結(jié)電容N型半導(dǎo)體

摻入少量雜質(zhì)磷元素（或銻元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導(dǎo)體原子（如硅原子）被雜質(zhì)原子取代，磷原子外層的五個外層電子的其中四個與周圍的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，多出的一個電子幾乎不受束縛，較為容易地成為自由電子。于是，N型半導(dǎo)體就成為了含自由電子濃度較高的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性主要是因?yàn)樽杂呻娮訉?dǎo)電。

pn結(jié)電容P型半導(dǎo)體

摻入少量雜質(zhì)硼元素（或銦元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導(dǎo)體原子（如硅原子）被雜質(zhì)原子取代，硼原子外層的三個外層電子與周圍的半導(dǎo)體原子形成共價鍵的時候，會產(chǎn)生一個“空穴”，這個空穴可能吸引束縛電子來“填充”，使得硼原子成為帶負(fù)電的離子。這樣，這類半導(dǎo)體由于含有較高濃度的“空穴”（“相當(dāng)于”正電荷），成為能夠?qū)щ姷奈镔|(zhì)。

pn結(jié)電容電子與空穴的移動

漂移運(yùn)動

上面敘述的兩種半導(dǎo)體在外加電場的情況下，會作定向運(yùn)動。這種運(yùn)動成為電子與空穴（統(tǒng)稱“載流子”）的“漂移運(yùn)動”，并產(chǎn)生“漂移電流”。

根據(jù)靜電學(xué)，電子將作與外加電場相反方向的運(yùn)動，并產(chǎn)生電流（根據(jù)傳統(tǒng)定義，電流的方向與電子運(yùn)動方向相反，即和外加電場方向相同）；而空穴的運(yùn)動方向與外加電場相同，由于其可被看作是“正電荷”，將產(chǎn)生與電場方向相同的電流。

兩種載流子的濃度越大，所產(chǎn)生的漂移電流越大。

擴(kuò)散運(yùn)動

由于某些外部條件而使半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子存在濃度梯度的時候，將產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動，即載流子由濃度高的位置向濃度低的位置運(yùn)動。

pn結(jié)電容PN結(jié)的形成

采用一些特殊的工藝（見本條目后面的段落），可以將上述的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體緊密地結(jié)合在一起。在二者的接觸面的位置形成一個PN結(jié)。

P型、N型半導(dǎo)體由于分別含有較高濃度的“空穴”和自由電子，存在濃度梯度，所以二者之間將產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動。即：

• 自由電子由N型半導(dǎo)體向P型半導(dǎo)體的方向擴(kuò)散

• 空穴由P型半導(dǎo)體向N型半導(dǎo)體的方向擴(kuò)散

載流子經(jīng)過擴(kuò)散的過程后，擴(kuò)散的自由電子和空穴相互結(jié)合，使得原有的N型半導(dǎo)體的自由電子濃度減少，同時原有P型半導(dǎo)體的空穴濃度也減少。在兩種半導(dǎo)體中間位置形成一個由N型半導(dǎo)體指向P型半導(dǎo)體的電場，成為“內(nèi)電場”。