发布于 08-02 14:46:31
随着科技发展和对半导体的深入研究，人们发现半导体掺入杂质，能使其导电性能大大增强。二极管的制作正是利用了这个突出特点。
掺入杂质就是在纯半导体中掺入其他物质，掺入的物质就叫杂质。例如，在4 价硅（Si）中掺入3价硼（B），能使半导体中空穴载流子数目剧增，导电特性大为加强。在4价硅中掺入5价磷（P），能使半导体中电子载流子数目剧增，同样使半导体导电特性大为加强。
如果在纯净半导体中掺入杂质使空穴数目增多，就称为空穴型半导体，记为P型半导体。若在纯净半导体中掺入杂质使电子数目增多，就称为电子型半导体，记为N型半导体。
通常，掺入杂质是在提炼单晶的工艺中一起完成的，单晶硅和单晶锗就是指掺杂后的半导体材料，二极管就是用掺杂后的半导体材料制成的。
1.P型半导体
在4价硅中掺入3价的硼（或铝、镓、铟）后，由于硼原子硼原子提供空穴，它的作用是接受自由电子，所以P型半导体中的硼原子称受主原子。" " style="width: 1em; margin-left: 0.1em; margin-right: 0.1em;"/>最外层只有3个价电子，它在与4个硅原子组成共价键时，就缺少一个价电子，因而形成一个空穴，如图1-7所示。这时，相邻4价硅的价电子会来填补这个空位置，又产生新的空穴。掺入的硼越多，产生的空穴就越多，硅晶体里几乎没有自由电子，主要是靠空穴来导电，这样的硅称为P型硅，或称为P型半导体。
图1-7 P型半导体形成结构
2.N型半导体
在纯净硅中掺入5 价的磷（或砷、锑）后，由于磷原子
最外层有5 个价电子，它在与周围4个硅原子组成共价键时就多出一个价电子，成为自由电子，如图1-8所示。掺入的磷越多，产生的自由电子就越多。这时硅晶体内几乎没有空穴，主要靠电子导电，这样的硅就称为N型硅，或称为N型半导体。
图1-8 N型半导体形成结构
（1）PN结的形成
在P型半导体上采用一定工艺方法，再生成N型半导体，于是在P型半导体与N型半导体的结合面就产生一个交结区，这个交结区就称为PN结。PN结两边的半导体则称为P区和N区，如图1-9 所示。深入讨论PN结的特性，就是载流子的扩散运动与漂移运动形成单向导电的阻挡层。
图1-9 PN结
（2）载流子的扩散运动
上面讲过，在P型半导体中，由于硅原子的电子会填补硼原子的空位，便使硼成为负离子，也使P型半导体中的载流子主要是空穴，如图1-10（a）所示。而在N型半导体中，磷原子与硅原子以共价键连接后，磷原子就多出一个电子成为自由电子，使磷成为正离子，也使N型半导体中的载流子主要是电子，如图1-10（b）所示。
图1-10 阻挡层的形成
在P型半导体与N型半导体结合后，由于P型半导体里空穴浓度大（几乎没有电子），N型半导体里电子浓度大（几乎没有空穴），所以空穴就经交界面向N区扩散，电子则经交界面向P区扩散，如图1-10（c）所示。
扩散是浓度（密度）差别形成的，它是否要进行到整个P区和N区里两种载流子全部均匀（浓度相等）后才停止呢？事实并非如此。随着载流子的扩散，在交界面附近，空穴与电子相遇会复合。于是在P区留下负离子，用“
”表示。负离子被束缚在晶体结构中，不能自由移动。同样，在N区就留下正离子被束缚在晶体结构中，也不能自由移动，用“
”表示。结果在PN结交界面附近就产生一层很薄的空间电荷区，如图1-10（d）所示
在空间电荷区内，负离子使左边带负电，正离子使右边带正电，于是形成PN结内部的电场。该电场的方向恰好与载流子（空穴和电子）扩散方向相反，将阻止空穴继续向N区扩散，也阻止电子继续向P区扩散，因此又称空间电荷区为阻挡层。
（3）载流子的漂移运动
PN结产生阻挡层后，载流子仍会运动，载流子在电场阻碍力下的运动称为漂移运动。
在扩散开始的时候，扩散运动占优势，接连不断地进行。随着扩散进行，PN结空间电荷区逐渐加宽，内电场增大，扩散运动就转变为漂移运动，同时内电场也对载流子漂移的作用加剧，最后使扩散与漂移达到动态平衡。
PN结中载流子达到动态平衡后，P区和N区交界面附近就形成厚为几微米至几十微米的空间电荷区，空间电荷区的电场具有一定电位差（简称电压）。电场的电压建立在PN结内，叫PN结的内建电压。由于内建电压的存在，P、N区之间的载流子就不再相互移动这并不是说任何时间都没有载流子越过PN结，而是从宏观上看所产生的电流为零。" ，这就是扩散运动与漂移运动形成PN结的结果。
（4）PN结的单向导电特性
PN结的特性主要体现在阻挡层上，即阻挡层在外加电压作用下，只能使通过它的电流朝单一方向运动，因此常说PN结具有单向导电特性，这也是二极管工作原理的基础。
