P型和N型材料

P型材料：空穴是多数载流子，电子是少数载流子。

N型材料：电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

P型和N型材料的应用

PN结：所有半导体器件的基本构建块。

应用：光电二极管、光敏二极管、发光二极管（LED）和变容二极管（Varactor），这些二极管具有可变电容。

什么是PN结？

定义：PN结是所有半导体器件的基本构建块。

主要电气特性：它只允许电流在一个方向上轻松流动。

PN结通常被称为二极管。

PN结的能带图

P型和N型的能量带图：能量带的主要特征是电子能量状态在宽范围内的稳定性。

价带（Valence Band）：最上面的几乎填满的带。

导带（Conduction Band）：最下面的几乎空的带。

带隙（Band Gap）：它们之间的距离。

费米能级（Fermi Level）：在绝对零度时，电子可能占据的最高能级。

Ec：导带底边的表示。

Ev：价带顶边的表示。

Eg：导带与价带之间的差值（Ec - Ev）。

EI：本征能级。

PN结的形成

N型和P型掺杂的硅（或锗）连接在一起形成PN结。

形成过程：在PN结的右侧和左侧，大量的空穴想要向左移动，大量的电子想要向右扩散。

扩散过程：由于掺杂剂（如砷和硼）被固定在晶格中，电子和空穴是自由移动的。

理想PN结

空穴向冶金结的左侧扩散，并与那里的电子结合，留下带负电的受主区域。同样，当电子向右扩散时，留下带正电的施主中心。

扩散过程最终会停止：因为试图扩散的载流子会被不断增加的固定电荷（施主中心想要保留电子，受主中心想要保留空穴）电静力吸引。最终达到平衡。

耗尽区（Depletion Region）：由于这些固定电荷产生的电场减缓了扩散过程。这个区域被称为耗尽区，因为在这个固定电荷区域中没有自由载流子，也被称为空间电荷区，自由载流子仍然存在于这个区域之外。

热平衡条件下的能级图

带电粒子的运动产生电流（带负电的电子和带正电的空穴）。载流子指的是带电的电子和空穴。

在半导体中，有两种主要机制驱动电子和空穴运动：

扩散电流（Diffusion Current）：由于浓度变化导致的流动。

漂移电流（Drift Current）：由电场引起的运动。

热平衡（无外加电场，无净电流流动） 

由于电流方向相反，在热平衡状态下，不存在净电流流动。在非平衡状态下，一种电流流动机制会优先于另一种，从而产生净电流流动。对于希望从n型层扩散到p层的电子，存在一个势垒。 

PN结势垒高度

内建电势和结电势都指的是p-n结上的势垒高度Vbi。这个相应势垒的势能为qVbi。由于电子能量在能级图中向上为正，因此电子势能将向下为正。

PN结的偏置条件

PN结在偏置状态下意味着施加电压。零偏压、正向外加电压、反向外加电压的能带行为如下图所示。

在平衡状态下

当p-n结处于平衡时，两侧的费米能级相匹配。在结处，电子和空穴达到平衡并形成耗尽区。图中的向上箭头表示电子能量的增加。这意味着你需要提供能量才能使电子在图中向上移动，或者使空穴在图中向下移动。 

在正向偏置时

为了正向偏置p-n结，p侧被设置为更正电，从而使电子跨越结的迁移变得“下坡”。靠近结处的一个空位或“空穴”可以被一个跨越它的电子填补。然后可以说，空穴向右移动，因为它从一个空位移动到另一个空位，向左朝正极移动。在图中，电子从右向左传导，向上的趋势表示电子能量的增加。 

在反向偏置时

为了反向偏置p-n结，p侧被设置为更负电，从而使电子跨越结变得“上坡”。在图中，电子从右向左传导，向上的趋势表示电子能量的增加。

耗尽区（Depletion Region）

定义：耗尽指的是某种物质数量的减少，耗尽层是由于PN结区域的载流子扩散导致的。

特性：耗尽区是由不可移动的离子组成的，因为耗尽层既包含电子也包含质子，但它们本质上是不可移动的。耗尽区中的势垒是由离子引起的。

作用：由于半导体中的耗尽区，电荷的流动速度减慢。这个区域作为阻止电子从半导体的N侧移动到P侧的障碍。

PN结中的“Downhill”和“Uphill”

下坡（Downhill）：在正向偏置条件下，P侧被加正电压，电子通过PN结的运动为“下坡”。

上坡（Uphill）：在反向偏置条件下，P侧被加负电压，电子通过PN结的运动为“上坡”。