一、原子、电子、空穴、离子的概念

半导体是介于导体与绝缘体之间的材料，导电性能随温度的变化而变化。在室温下，半导体的电阻值介于导体（金、铜、银）和绝缘体（石英、橡胶）之间，而在加热或受到光照时，导电性能会增强，这种特性使得半导体在电子器件中有着广泛的应用。

空穴：共价键中的价电子由于热运动获得能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，称为空穴。

电子：金属原子的外层电子（价电子）脱离原子核束缚后而成为自由电子。

原子：原子是由原子核和核外电子组成，原子核带正电荷，绕核运动的电子带负电荷，原子的核电荷数与核外电子相等，因此原子呈显电中性。

离子：离子是原子或原子团由于得失电子而形成的带电粒子，当原子得到一个电子或者几个电子时，核外电子数多于核电荷数，从而带负电荷，称为阴离子；当原子失去一个或几个电子时，核外电子数少于核电荷数，从而带正电荷，称为阳离子。

共价键结构

二、PN结

本征半导体与杂质半导体

纯净半导体是指纯净的，未经掺杂的半导体材料，它们的导电性是由其本身晶格结构决定的，不依赖于外部掺杂物，也称为本征半导体。杂质半导体是在形成晶体结构过程中，通过扩散工艺，人为掺入特定的杂质元素时，控制其杂质浓度时，导电性能就能控制。

P型半导体与N型半导体

P型半导体是在纯净的硅晶体中掺入3价元素（硼），取代晶格中硅原子位置，硼外层有3个价电子，当它与硅原子形成共价键时，就多出一个空穴，多出的空穴不受共价键的束缚，P型半导体中空穴的浓度大于自由电子的浓度，称空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子），而杂质原子吸收电子故称受主原子，掺入杂质越多，导电性能就越强。

P型半导体

N型半导体是在纯净的硅晶体中掺入5价元素（磷），取代晶格中硅原子的位置，磷最外层有5个价电子，除了与硅原子形成共价键外，还多出一个电子，多出的电子不受共价键的束缚，只需获得少有的能量就能成为自由电子，N型半导体中自由电子的浓度大于空穴的浓度，称自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子），杂质原子可以提供原子故称施主原子，掺入杂质越多，导电性能就越强。

N型半导体

PN结的形成过程

采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，它们的交界面就形成PN结。物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，P型与N型半导体制作在一起时，两种载流子浓度差很大，P区的空穴向N区扩散，N区的自由电子向P区扩散，也称为漂移运动。

载流子的漂移运动

扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们不能移动，也称为空间电荷区，形成内电场。随着空间电荷区加宽内电场增强，方向由N区指向P区，正好阻止扩散运动的进行。

在电场力的作用下，载流子的运动。空间电荷区形成后，在内电场作用下，少子产生漂移运动，空穴从N区向P区运动，自由电子从P区向N区运动，在无外电场的激发下，参与扩散运动的多子数量与参与漂移运动的少子数量达到动态平衡，形成了PN结。

PN结形成

【总结】

PN结内载流子运动有两种，一是多数的载流子克服电场阻力的扩散运动；另一种是少数载流子在内电场作用下的漂移运动。只有当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和内建电场才能相对稳定。由于两种运动产生的电流方向相反，在没有外加电场或其它因素的情况下，PN结中不存在宏观电流。

PN结的特性（单向导电性）

PN结加正向偏置电压

如果施加的电压使电流从P区流向N区，称为正向电压，简称正向偏压；外加电压的电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场对多数载流子扩散运动的阻碍，使扩散电流远大于漂移电流，PN结呈现低阻抗，而处于导通状态，正向电压越大则流过电流也越大，此时电压与电流呈指数关系。

PN结加反向偏置电压

如果施加的电压使电流从N区流向P区，称为反向电压，简称反向偏压；外加电压的电场方向与PN结内电场方向相同，增强了内电场，加强了内电场对多数载流子扩散运动的阻碍，空间电荷区变宽，PN结呈现高阻抗，PN结处于截止状态，少数载流子在电场的作用下形成漂移电流，它的方向与正向电压的方向相反，又称为反向电流。

因反向电流是少数载流子形成，故反向电流很小，即使反向电压增加时，反向电流也不会明显增加，也称反向饱和电流。

PN结击穿特性

PN结具有一定的反向耐压能力，当反向电压过大时，反向电流IR随即变大，破坏反向截止的工作状态，这就是反向击穿。反向击穿分为齐纳击穿和雪崩击穿，这两种击穿都是可逆的，即可以通过外围电路中的保护措施，将反向电流限制住，从而在反向电压降低后，PN结恢复到原来的状态。热击穿是不可逆的，会导致PN结过热，直接烧毁。