干货收藏系列5：白话说之PN结
白话说之PN结（你将了解PN结的形成的根本原理与特性）
什么是PN结呢？
就是将P型半导体和N型半导体制作在同一纯净的硅片上，它们的交界面就是PN结。
那什么是半导体？什么是P型半导体，什么N型半导体呢？
半导体就是导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，而物质的导电性能是由它的内部原子结构所决定的，原子对电子的束缚能力越强，越不容易失去电子，也就越不容易形成自由电子，从而导电性能越差，同理原子对电子的束缚能力越弱，就越容易失去电子，也就容易形成自由电子，从而导电性能越好，比如低价元素容易失去电子形成自由电子因此它容易导电是导体，而高价元素不容易失去电子，无自由电子的形成因此不容易导电。
因此中间元素（如四价元素硅）对电子的束缚能力介于导体与绝缘体之间因此常被制成半导体。
P型半导体就是在本征半导体（也就是纯净的硅片）上掺杂三价元素（如硼）形成的半导体，硼原子取代了纯净硅片上的硅原子，因为硼原子最外层只带三个电子，与最外层带四个电子的硅原子形成共价键之后，将会产生一个带正电荷的空穴，而“正”在英文中为Positive
因此此种半导体就称为P型半导体，其多子是空穴，少子是自由电子。
（后面将介绍何为空穴，何为多子，何为是少子）
N型半导体就是在本征半导体（也就是纯净的硅片）上掺杂五价元素（如磷）形成的半导体，磷原子P取代了纯净硅片上的硅原子Si，因为磷原子最外层带五个电子，与最外层带四个电子的硅原子形成共价键之后，将会剩下一个带负电荷的电子，而“负”在英文中为Negative，因此此种半导体就称为N型半导体其多子是自由电子，少子是空穴。
那上面的自由电子、空穴、多子、少子又是什么呢？
自由电子：价电子在热运动（热激发）的作用下，获得能量挣脱原子的束缚成为自由电子。
空穴：价电子在热运动（热激发）的作用下，获得能量挣脱原子的束缚成为自由电子的同时在共价键中留下一个空位置，称为空穴，原子因失去一个电子而带正电，所以一般我们也说空穴带正电荷。
多子：即多数载流子。
少子：即少数载流子。
载流子：简单地说就是运载电荷物质。
那我们为什么要介绍自由电子、空穴、多子、少子呢？因为我们首先要明白PN结的原理才能清楚的认识它，并使用它！
物质为什么会导电呢？
其实在上面已经说了物质原子越容易失去电子，使其成为自由电子、其导电性能越好，也就是说自由电子（或者空穴）的运动使得物质可以导电！因此物质里面如果没有载流子的运动也就不会导电，形成电流。
对于导体它原子里面因为没有共价键因此不会有空穴，只会有自由电子这一种载流子，而半导体里面因为有共价键因此可以形成空穴与自由电子，也就是说半导体内部有两种载流子，空穴数量比自由电子数量多，空穴就是多子，自由电子就是少子，反之亦然。
根据上文所说我们就可以知道一些实际的问题，比如二极管为什么会受温度影响？
因为二极管其实本质上就是PN结，温度越高，热激发（热运动）也就越剧烈，将会有更多的电子获得足够挣脱原子束缚的能量成为自由电子。
自由电子数量的改变自然也就影响了PN结的特性。
那PN结为什么具有单向导电性？
这是我们要探究的主要问题了，前面都只是是铺垫。
前面说了物质的导电性是因为载流子的运动，难道PN结具有单向导电性是因为载流子只朝一个方向运动吗？
其实不然，真相到底是什么呢？客官请容我饮壶浊酒慢慢道来。。。。。。
正如前面所说PN结里面有两种载流子空穴与自由电子，其实PN结具有单向导电性和这两种载流子有关，多子因从PN结的P区到N区的运动，使得PN结导通，少子因漂移运动从PN结的N区到P区的运动，但因为少子很少即便全部的少子都参与漂移运动，产生的电流都极小。
在实际的运用当中一般都会忽略不计，因此使得PN结截止，即不导通。
那前面所说的漂移运动，扩散运动又是什么呢？
PN结中的载流子一般又是朝哪个方向运动的？
漂移运动：载流子在电场作用下的运动称之为漂移运动。
扩散运动：载流子在浓度差的作用下的运动称之为扩散运动，物质有从高浓度地方从低浓度地方流动的趋势。
PN结中的载流子运动方向：PN结其实是处于一种内部载流子运动平衡的状态中，就是扩散运动和漂移运动的动态平衡的状态，只有外部加入其它电场才会破会这种平衡，导电性才会改变（加入正向电压PN结导通，加入反向电压PN结截止）。
接下来详细说明此间的奥妙。
PN结中的动态平衡：前面我们已经说过在本征半导体中掺入三价元素形成P型半导体，其多子是空穴、浓度高。
掺入五价元素形成N型半导体，其多子是自由电子、浓度高。
因此当通过在纯净的硅片上掺杂不同的杂质元素将形成PN结，由于浓度差的存在，P区的带正电荷多子空穴必然流入低浓度的N区中与N区的自由电子结合，而N区中的带负电荷的多子自由电子必然流入低浓度的P区中与P区的空穴结合，（它们两的电流方向一致，也即PN结中电流是其两者相加。）
P区因为空穴的流入N区将在靠近N区的一面形成负离子区，N区因为自由电子的流入P区将在靠近P区的一面形成正离子区，这一正负离子区合称空间电荷区（也称耗尽层）。
而空间电荷区将形成内电场（会使得载流子产生漂移运动）将阻碍扩散运动，两种运动相互作用于载流子，载流子则会呈现一种平衡状态。
PN正向导通：在PN结上加正向偏置电压。将会打破上述的平衡状态，外电场将抵消内电场，此时PN结中的多子（P区的多子空穴与N区的多子自由电子的总和）将会从P区到N区运动形成导通电流，当然正向偏置电压要达到一定条件（硅为0.7V，锗为0.3V）才能抵消内电场（部分抵消则为不完全开启，抵消则为完全开启），才能导通（这也是二极管为什么要开机启电压的根本原因）。
PN反向截止：在PN结上加反向偏置电压。
将会打破上述的平衡状态，外电场与内电场叠加，此时PN结中的少子（P区的少子自由电子与N区的少子空穴的总和）将在叠加后电场的作用下产生漂移运动将会从N区到P区运动）。
但是因为少子很少即便所有的少子都参加漂移运动，反向电流也很小，在实际情况下忽略不计。
因此认为PN结加反向电压时将截止，不导通。
上面说了PN结的导通与截止，我们最后再说说PN结的击穿特性，因为实际的电路设计中稳压管也是常用的电子元器件，而稳压管又是利用PN结的反向特性制作而成的，因此有必要讲讲其击穿的原因!
首先PN结的击穿原因有两种。
一：齐纳击穿。
因为PN结掺杂浓度高，使其耗尽层很薄，根据电场强度E=u/d，但d很小时，很小的反向电压u都会产生很大的电场强度，随着强电场的作用下，将直接破坏共价键以致生产更多的空穴与自由电子对，形成大的电路流，PN将因此烧坏。
二：雪崩击穿。
根据电场强度E=u/d，当反向电压很大时，电场强度也将增大，此时PN结中的少子漂移运动的速度将很快，撞击在共价键中将破坏共价键，从而产生空穴和自由电子对，反向电流将增大，PN有可能将因此烧坏。
最后的最后，我们浅谈PN结的结电容！
结电容由势垒电容与扩散电容组成，PN结面积越大，它能承受的电流也就越大，但同时其结电容也就越大，因此面积大的PN结适合用于大电流，低频电流中，如整流管。
PN结面积越小，它能承受的电流也就越小，其结电容越小，因此面积小的PN结适合用于小电流，高频电流中，如脉冲数字电路中的开关管。
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半导体—PN结
半导体材料： 半导体是导电能力介于半导体和绝缘体之间的一类物质。如硅、锗、碳化硅和氮化镓等。电阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内。
半导体结构：
电子器件中大都使用硅和锗，具有晶体结构。晶体结构的意思就是能找到一个基本结构单元，整个物质都是按照整个基本结构单元排开的，譬如中学学的金刚石的结构。下图是硅晶体的基本结构单元。硅是正4价元素，每个硅原子间是2个电子组成的共价键连接。
硅晶体基本结构图
本征半导体：
本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在电子应用中，电导率(电阻率的倒数)是半导体的重要物理特性，而电导率与材料的单位体积中所含的电荷载流子(能够自由运动并产生电流的物质)的数目呈正相关。
本征半导体晶体共价键通常情况下是稳定的，没有自由移动的电子，但是当温度、光照、磁场强度达到一定强度就会使得共价键的电子挣脱束缚，成为自由电子。这一现象称为本征激发。这就可以解释半导体器件特性为什么会受到环境参数的影响了。
参杂半导体：
若在本征半导体中掺入微量的杂质，其导电性能便会发生很大的变化。根据掺入杂质的不同，可以把掺杂半导体分为P（Positive）型和N（Negative）型。P型的意思就是半导体的多数载流子带正电，N型反之。
具体可以这么去理解，若在4价的硅中掺入3价的硼，硼跟硅组成的共价键便会少一个电子，相当于空了一个位置出来，那么少量自由电子在大量的空穴上穿梭，反过来可以看成是大量的空穴在移动，那就呈现正电特性（P型，实际半导体整体还是中性的）。若在4价的硅中掺入5价的磷，共价键组合完后还多一个电子，那么就是大量自由电子在少量空穴中穿梭，那就呈现负电特性（N型，实际半导体整体还是中性的）。下图是简化模型。
掺杂半导体导电简化模型图
PN结的形成：
想象一下，如果将上面模型图中的P型半导体和N型半导体合并，那么在交界处，就会存在自由电子的浓度差，有浓度差便会产生扩散现象，即N区的自由电子向P区扩散来填补P区的空穴，这就导致N型和P型半导体失去了电中性，N型半导体失去电子带正电，P区得到电子带负电，这样就形成了电场，电场由高电势指向低电势，那么电场方向就是由N区指向P区。这个叫内电场。
那么再深入的想一下，随着扩散现象的持续，这个内电场不断加强，电场由N指向P，电子由N扩散到P，电子的运动方向居然与电场方向相同！这说明每扩散一颗电子过去就会加强电场阻止扩散的发生，但又因为少量电子漂移（电场力让P区的电子又往N区跑）现象的存在，当漂移等于扩散时会达到一个动态平衡。这个最终平衡下来的电荷区就是PN结了。
PN结单向导电性：
想让PN结导通，本质上来说就是要让大量电子在PN结间穿梭，已知自由电子都在N区，那就是需要加强扩散，而内电场是阻止电子扩散的，那么只需要破坏了这个内电场就能够导通了，内电场是由N指向P的，只需要在外部施加一个P指向N的电场就能破坏内电场平衡，顺便的，这里就解释为什么二极管有一个0.7V的正向导通死区电压了。
那么反过来，如果在外部施加一个由N区指向P区的电压，这就加强了内电场，使得扩散进一步的减少，加强了漂移，而漂移的电子非常少，毕竟P区空穴是多数载流子，我想这就是二极管的反向漏电流了。
PN结单反向击穿：
接着上面说，在反向施压的情况下，PN结不导通，如果电压一直增加，内电场一直被加强会有什么现象呢？内电场被加强，扩散较少，漂移增加，电子漂移的速度也增加，这就会导致电子被加速到一定程度后撞击共价键，在强电场和强撞击下，共价键被破坏，破坏了共价键就会产生更多的自由电子，并且撞击会产生热量（二极管反向击穿发烫的原因之一），热又会加强本征激发，结果就是击穿后电流突增，PN结发热，长时间会烧毁PN结。
PN结电容效应：
PN结的电容效应对高频信号的影响很大，根据电容的定义：电容器所带电量Q与电容器两极间的电压U的比值,叫电容器的电容，即C=Q/U。在PN结两块平板间有电压和电荷的变化，这便决定着PN结的电容。所以高速二极管的PN结都是比较薄的，这样内电场的建立和破坏就很快，就会有很快的开关速度，但是往往不能过大电流和承受高电压。
半导体器件：
二极管、三极管、MO管、晶闸管。都是由PN结构成的，掌握PN结的基本原理，就很容易理解其他半导体器件的特性。
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