模电|PN结及其单向导电性

半导体

半导体的导电能力位于导体和绝缘体之间。
常温下，半导体导电性能很差；如果掺杂其他物质，或者温度发生变化，导电能力将加强。

本征半导体

它是一种纯净的半导体，纯净的具有晶体结构的半导体。
半导体的材料：如硅元素
硅原子的外层是4个价电子，周围有4个共价键，是处于稳定状态。
导电依靠的是自由电子和空穴。
由于热运动，价电子会摆脱原子核的束缚形成自由电子，同时在原位置上就会留下一个空位，成为“空穴”。
两种载流子：空穴和自由电子。
载流子越多，导电性能会越强。
温度越高，能够挣脱束缚的价电子的数量会增多，会产生更多的电子空穴对，因此本征半导体中载流子的浓度会和温度有密切的关系。
温度升高，载流子的浓度会增加。
总体来说，本征半导体中的载流子的数目很少，导电能力很差。

杂质半导体

P型半导体：(postive)

4价的本征半导体中加入三价元素（如铝元素），空穴的数量会增加，因为铝原子因为缺少一个价电子，从而产生一个空穴。
空穴被称为（多数载流子）
自由电子被称为（少数载流子）
在p型半导体中,空穴为多子,自由电子为少子,空穴相当于带正电的粒子,在这类半导体的导电中起主要作用。

N型半导体（nagative)

4价的半导体中加入5价元素，如上图所示，磷的价电子层有5个电子，当它与价电子层有4个电子的纯硅掺杂时，它形成4个共价键。这就剩下了一个价电子的存在，这个电子可以自由地运动。这个电子被认为是自由电子，带负电，这些电子来自半导体中的施主，进而提高了材料的导电性，所以P又叫施主杂质。
N型半导体中：多数载流子为自由电子，少数载流子为空穴。

PN结的形成

将P型半导体和N型半导体放在一块硅片上，在交界面就会形成PN结。

P区的空穴多，N区的自由电子多，由于扩散运动（多的向少的移动）。
P区的空穴扩散到N区，与N区的自由电子复合而消失。
N区的自由电子扩散到P区，与P区的空穴复合而消失。
扩散运动的结果是：
在两个交界面的地方会留下不能移动的正，负离子，因此会形成从右到左的电场。
中间的空间电荷区是耗尽层，因为多数载流子因为扩散，复合而消耗尽了。
于此同时，它又是一个阻挡层，因为对载流子的扩散运动起到了抑制作用。
内电场对于少数载流子的运动起到了促进作用。
少数载流子在内电场的作用下而产生的运动称为漂移运动。

PN结的单向导电性

PN 结无外加电压时, 扩散运动和漂移运动处于动态平衡, 流过 PN 结的电流为 0（对外不导电）。当外加一定的电压时,就会破坏原有的平衡状态。
当外加一定的电压时,由于所加电压极性的不同, PN 结的导电性能不同。
(1) 正向偏置

当电源正极接P级，负极接N级时，外电场的方向和内电场的方向相反，削弱了内电场。扩散运动加剧，漂移运动减弱。空间电荷区会变窄，此时扩散电流大于漂移电流，从而会产生正向电流，PN结导通。
在一定范围内,外加电压越大, 正向电流越大, PN 结呈低阻导通状态。为了防止电流过大而烧坏PN结，应当串联一个电阻来限制回路电流。
(2) 反向偏置
当电源正极接N级，负极接P级时，外电场的方向和内电场方向一致，因此内电场会变宽，从而抑制多子的扩散运动，此时PN结处于反向截止状态。
这里需要注意的是：电流的方向是正电荷移动的方向，N区的自由电子向P区移动，因此电流的方向是从左向右；而空穴被看作正电荷，因此电流的方向也是从左向右，最终电流的方向是从正极到负极。