當N型材料與P型材料熔合在一起形成半導體二極管時形成PN結

在前面的教程中，我們看到了如何制作N型通過用少量銻摻雜硅原子來制作半導體材料，以及如何通過用硼摻雜另一個硅原子來制造P型半導體材料。

這一切都很好，但這些新摻雜N型和P型半導體材料本身很少，因為它們是電中性的。然而，如果我們將這兩種半導體材料連接（或熔合）在一起，它們會以非常不同的方式合并在一起并產生通常所知的“PN結”。

當首先將N型半導體和P型半導體材料連接在一起時，在PN結的兩側之間存在非常大的密度梯度。結果是來自施主雜質原子的一些自由電子開始遷移穿過這個新形成的結，以填充P型材料中產生負離子的空穴。

然而，因為電子有從N型硅向P型硅移動穿過PN結，它們在負側留下帶正電的施主離子（ N D ），現在來自受主雜質的空穴沿相反方向穿過結點遷移到有大量自由電子的區域。

結果，沿著結點的P型電荷密度被填充帶負電的受體離子（ N A ），沿著結的N型電荷密度變為正。電子和空穴穿過PN結的電荷轉移稱為擴散。這些P和N層的寬度取決于每個邊摻雜的受主密度 N A ，并且施主密度 N D

這個過程來回繼續，直到穿過結點的電子數量足夠大，以排斥或防止任何更多的電荷載流子越過結點。最終將發生平衡狀態（電中性狀態），在結點區域周圍產生“勢壘”區域，因為供體原子排斥空穴并且受體原子排斥電子。

因為沒有自由電荷載流子可以停留在存在勢壘的位置，與遠離結的N和P型材料相比，結的任一側上的區域現在變得完全耗盡了更多的自由載流子。PN結周圍的區域現在稱為耗盡層。

PN結

PN結每側的總電荷必須相等且相反，以保持結點周圍的中性電荷狀態。如果耗盡層區域的距離 D ，則因此必須穿透硅的距離 Dp 為正側，距離為 Dn 為負面給出兩者之間的關系： Dp * N A = Dn * N D 以維持電荷中性也稱為平衡。

PN結距離

由于N型材料已經失去電子而P型失去了空穴，因此N型材料相對于P型變為正。然后，在結的兩側上存在雜質離子導致在該區域上建立電場，其中N側相對于P側具有正電壓。現在的問題是，自由電荷需要一些額外的能量來克服現在存在的能夠穿過耗盡區結的勢壘。

這種由擴散過程產生的電場產生了“內置電位差“跨越具有開路（零偏置）電位的結點：

其中： E o 是零偏壓結電壓， V T 室溫下26mV的熱電壓， N D 和 N A 是雜質濃度， n i 是固有濃度。

在PN結的兩端之間施加的合適的正電壓（正向偏壓）可以為額外的能量提供自由電子和空穴。克服現有的勢壘所需的外部電壓在很大程度上取決于所用半導體材料的類型及其實際溫度。

通常在室溫下，硅耗盡層的電壓約為0.6 - 0.7伏特和鍺約為0.3-0.35伏特。即使器件沒有連接到任何外部電源，這個潛在的屏障仍將存在，如二極管所示。

這種內置電位在整個結點的重要性在于它反對這兩種流動跨越結點的空穴和電子，這就是它被稱為勢壘的原因。實際上，PN結是在單晶材料中形成的，而不是簡單地將兩個單獨的片連接或熔合在一起。

這個過程的結果是PN結具有整流電流 - 電壓（IV或I-V）特性。電觸點熔合到半導體的任一側上，以實現與外部電路的電連接。由此產生的電子器件通常稱為 PN結二極管或簡稱信號二極管。

然后我們在這里看到一個PN結可以通過將不同摻雜的半導體材料連接或擴散在一起來制造稱為二極管的電子器件，該電子器件可以用作整流器的基本半導體結構，所有類型的晶體管，LED，太陽能電池以及更多這樣的固態器件。

在下一個關于PN結的教程中，我們將看一下PN結最有趣的應用之一是它在電路中用作二極管。通過在 P-type 和 N-type 材料的每一端添加連接，我們可以生成一個稱為PN結二極管的雙端器件，它可以被外部偏置電壓阻止或允許電流流過它。