​半导体的基础—PN结

为啥说PN结是基础呢？

因为BJT是由PN结构成的，MOS管也是基于PN结的。

那PN结又是由什么构成的呢？

PN结是由P型半导体和N型半导体构成的。

那什么又是P型半导体呢？什么叫N型半导体呢？

像纯硅，称之为本征半导体，但是本征半导体里的载流子太少，没啥用。

想要增加载流子浓度，就要掺杂。

那什么叫掺杂呢？

硅最外层有四个电子，称为价电子。当外层价电子数为8时，原子最稳定。

本征半导体上，一个硅原子周围有4个硅原子，这4个硅原子分别出一个价电子与中间的硅原子的4个价电子结合，形成共价健。这样，对每个硅原子来说，就有8个价电子。

就像我有个女儿，我朋友有个儿子，我女儿认我朋友做干妈，我朋友儿子认我做干妈，这样，我和我朋友就都既有女儿又有儿子了。

硅形成的本征半导体也一样，我拿出一个价电子，你拿出一个价电子，这样，我们就都有两个价电子了。

外围都有8个价电子，稳定是稳定了，但是也是板砖一块，没啥用啊。

掺杂，就是用价电子数比硅多的原子或价电子数比硅少的原子来取代其中的一些硅原子。让自由载流子数多起来。

比如说P原子，有5个价电子。拿出4个，与周围的4个硅原子共享后，还多一个电子。这个电子就成为自由电子。

再比如说B原子，有3个价电子。那个周围的4个硅原子，只有3个形成共价键了，还有一个，只有孤零零的一个电子，旁边空出来一个位置。空穴就产生了。

那PN结都有啥作用呢？

这就要看PN结处在什么状态下了。一个PN结，结的一头是P型半导体，结的另一头是N型半导体。P型的那头，我们称为阳极，N型的那头，我们称为阴极。

我们可以对PN结什么都不干，也可以给他施加正向电压，也可以给他施加反向电压。

那如果不对PN结做什么，它会发生什么呢？

当PN结外部没有电压时。表面看，好像什么都没发生。但其实内部也是风起云涌。

想知道内部发生什么，我们又需要先了解载流子的两种运动方式。

一种，我们称之为扩散运动，对应形成的电流称为扩散电流。

扩散运动是由浓度梯度引起的，就是说，载流子会自发的从高浓度地方向低浓度运动。

另一种，被称之为飘移运动，对应形成的电流称为飘移电流。

飘移运动是由电场引起的，载流子受到电场力的作用而运动。

外部无任何连接的PN结，内部主要是扩散电流。

N型半导体中，载流子主要是电子，电子多，空穴少。

P型半导体中，载流子主要是空穴，空穴多，电子少。

电子会想从N型半导体处，流向P型半导体处。空穴则是想从P型半导体流向N型半导体。从而形成扩散电流。所谓空穴流动，其实也是电子的流动，因为空穴指的是电子流动出去，而形成的空的位置。

当电子从N型半导体流出时，就会留下阳离子；而空穴从P型半导体流出，则会留下负离子。

这些正负离子，分布在PN结附近的两边，形成耗尽区。之所以称其耗尽区，是因为在这区域，自由载流子都被耗尽了。

这个耗尽区则会产生电场，这个电场对载流子产生的力与载流子流动的方向相反，所以会阻碍扩散电流的形成。等两者达到平衡时，则PN结则处于无电流流动的状态。

那如果对PN结施加反向电压呢，所谓反向电压，即是在n端加正电压，p端加负电压。

因为外接电压产生的电场与内部PN结处的电场同向，所以会增强PN结处的内电场。而内电场的增强，则需要更多的正负离子形成。所以耗尽区会变宽。

如果将n端和p端，看成两个平板，而中间的正离子和负离子，则可看做平板上的电荷。此时，PN结近似于一个电容。

耗尽区增宽，可以看作两平板之间的距离拉大，即电容容值变小。

所以喽，当加反向电压时，虽然增强的电场会阻碍扩散电流的流动，但是它确提供了一个重要的功能。

那就是，当反向电压变化时，PN结呈现出来的容值也变化，这个特性就相当于一个可调电容在手啊。

那如果PN结上施加正向电压呢？

所谓正向电压，就是p端加正电，n端加负电。

当施加正电压时，外部电压产生的电场会削弱内部电场，进而使得扩散电流的阻力减小，所以会有更多的载流子的流动，进而产生大的扩散电流。

这时，两端对应的多子的浓度变化相对不太明显，但是少子的浓度则迅速增加。

PN结两端的正向电压与电流呈如下关系：

当施加在PN结两端的正向电压增加60mV时，电流增加10倍。