PN结的形成及其单向导电性
扩散和漂移
- 扩散：因为浓度差产生的运动。
- 漂移：因为电位差产生的运动。
PN结的形成
1. 初始状态
- 图示的绿色表示原子没有带电，红色表示带正电，灰色表示带负电。
- P区绿色的三价硼原子，每加入一个硼原子，就产生一个空穴，图中用中空的黑圈表示。
- N区绿色的五价磷原子，每加入一个磷原子，就产生一个自由电子，图中用实心的黑点表示。
- 初始状态是还没有发生扩散运动时的状态，P区的每一个硼原子由不能移动的负离子和空穴组成，整体显电中性；N区的每一个磷原子由不能移动的正离子和自由电子组成，整体显电中性。
2. 扩散运动
- P区的空穴是多子，吸引附近的束缚电子产生移动，P型半导体的空穴数目是固定的，空穴的移动从单个空穴来看是无规律的。虽然空穴一直在运动，但从宏观上来看，扩散运动会导致空穴的均匀分布。N型半导体类似。
- 当P型半导体和N型半导体形成PN结，在PN结交界的地方，因为浓度差产生扩散运动，P区空穴向N区扩散，N区自由电子向P区扩散。
- 从本质而言，空穴的移动是靠吸引附近的束缚电子产生的，想象一下，如果只有P区，N区是个本征半导体，那么P区吸引附近的束缚电子，从宏观上来看，空穴吸引N区的束缚电子会多于P区（浓度产生的概率），吸引束缚电子后，杂质原子变成不可移动的负离子，而失去束缚电子的硅原子会产生一个空穴，这个空穴会继续吸引附近的束缚电子，从宏观上看，P区的空穴会扩散到N区，最终达到一个动态平衡（此处动态平衡是指，虽然空穴的运动仍然继续，但从整体上看，空穴的浓度已经平均分布到整个P区和N区，从整体上看空穴浓度已经动态平衡了），这个过程中，空穴的数目没有变少。
- 自由电子的扩散类似，假设P区是本征半导体，N区的电子因为浓度原因会朝各个方向扩散，从宏观上看，最终自由电子会扩散到P区，从而使硅原子带负电，而失去自由电子的磷原子会带正电，最终自由电子的运动达到动态平衡，整个过程中，自由电子的数量并没有变化。
- 前面分别讨论了P区和N区向本征半导体扩散的情况，PN结的扩散运动最大的特点是，当P区硼原子中的空穴和N区磷原子的一个自由电子（此处是自由电子而不是束缚电子）复合，就会产生一个带负电的硼负离子，以及一个带正电的磷正离子。这些带电离子不能移动，但是都是最外层是4个电子的稳定结构。虽然P区也会吸引束缚电子产生负离子，N区的自由电子也有一部分不复合，而是扩散到P区硅原子的外层，但从宏观上看，复合运动是主流。这导致了PN结中出现了带电离子，同时空穴和自由电子数目的减少。
3. 漂移运动
- 由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动，P区的电子和N区的空穴都是少子，形成的电流很小。
- 扩散和漂移运动最终达到的还是一个动态平衡的结果，动态平衡可以理解为，无论初始状态是怎样，最终都会得到一个相同的结果，所以我们可以先看扩散运动，然后再加入漂移运动进去，这样便于分析。如上图所示，假设P区和N区杂质原子都是16个，如果没有漂移运动，扩散运动导致的结果就是，这16个杂质原子全部复合，最后所有杂质原子都是最外层4个电子的稳定结构，所有的空穴和自由电子全部消失，PN结整体变成了耗尽层。PN结内电场的电场力达到最大。在电场力的作用下，空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动，从而使耗尽层变窄，电场力削弱，最后达到一个动态平衡，耗尽层的宽度保持不变。扩散电流=漂移电流。
- 如上图所示，假设上图中已经达到了动态平衡，这个动态平衡意味着：每当P区的灰色的负离子因为失去电子变成绿色，如果这个电子是受到电场力的左右，漂移到N区导致一个红色的正离子变绿色，那么就存在N区一个绿色的P原子因为自由电子扩散运动到P区从而产生一个红色的正离子，该自由电子扩散到P区后，会导致一个绿色的硼原子变成灰色的负离子，从而达到一种平衡。
扩散运动和漂移运动的细节涉及到半导体物理学、化学势、费米能级、量子力学的概念，在模拟电子中只需了解结果即可。
PN结的单向导电性
- PN结加正向电压时，耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。外电源可以源源不断的向P区提供空穴。
- PN结加反向电压时，反向耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。
