PN结的工作原理

想要了解PN结的导电原理，还得从金属的导电原理说起。一颗原子由质子、中子和核外电子组成。中子不带电，质子带正电，核外电子带负电，整个原子显中性。根据电子的能级分布，一个原子的最外层电子数为8时最稳定。如钠原子，核外电子层分布为2—8—1，最外层1个电子，能量最大、受原子核的约束力小，所以最不稳定，受到激发容易发生跃迁，脱离钠原子，成为自由移动的电子。

这些自由移动的电子在电场的作用下，会发生定向移动形成电流，这就是金属导电的原理。很多金属原子的最外层电子数小于4，容易丢失电子，称为自由移动的电子，所以金属容易导电，是导体。而对于氯原子，最外层有7个电子，倾向于从别处捕获一个电子，形成最外层8个电子的稳定结构，氯原子因为不能产生自由移动的电子，所以不能导电，是绝缘体。

半导体元素，一般最外层有4个电子，情况就变得比较特殊：这些原子之间往往通过“共享电子”的模式存在，多个原子之间分别共享其最外层的电子，通过共价键形成最外层8个电子的稳定结构，这种稳定也不是绝对的，当这些电子受到能量激发时，如图2-6所示，也会有一部分发生跃迁，成为自由移动的电子，同时在共价键中留下同等数量的空穴。

这些自由移动的电子虽然非常少，但是在电场的作用下，也会发生定向移动，形成电流。电子的移动产生了空穴，临近的电子也很容易跳过去填补这个空穴，产生一个新的空穴，造成空穴的移动。空穴带正电荷，空穴的移动和自由电子的移动一样，也会产生电流。金属靠自由电子的移动产生电流导电，而半导体则有两种载流子：自由电子和空穴。

但是由于硅原子比较稳定，只能生成极少数的自由电子和空穴，这就决定了硅无法像金属那样导电，但也不像绝缘体那样一点也不导电，因此我们称之为半导体。正是由于硅的这种特性，才有了半导体的飞速发展。载流子的浓度上去了，导电能力不就增强了吗？只要有利润空间，办法总是有的，那就是掺杂。

我们可以在一块半导体两边分别掺入两种不同的元素：一边掺入三价元素，如硼、铝等；另一边掺入五价元素，如磷。我们在一块半导体的两边分别掺入不同的元素，使之成为不同的半导体，一边为P型，一边为N型。在两者的交汇处，就会形成一个特殊的界面，我们称之为PN结。

理解了PN结的工作原理，也就理解了半导体器件的核心工作原理。接下来我们就看看PN结到底有什么名堂。掺杂不同元素的半导体两边由于空穴和自由电子的浓度不同，因此在边界处会发生相互扩散：空穴和自由电子会分别越过边界，扩散到对方区域，并与对方区域里的自由电子、空穴在边界附近互相中和掉。

这个内建电场会阻止P区的空穴继续向N区扩散，同时也会阻止N区的自由电子继续向P区扩散，空穴的扩散和自由电子的漂移从而达到一个新平衡，这个区域就是我们所说的PN结：载流子的移动此时已达到动态平衡，因此流过PN结的电流也变为0。这个PN结看起来也没什么，但它有一个特性：单向导电性。正是这个特性确立了它在电路中的重要地位，也构成了整个半导体“物理大厦”的核心基础。