PN結(jié)是指將p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體結(jié)合而成的典型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在結(jié)區(qū)施加電壓時會產(chǎn)生只允許電流單向通過的整流作用，業(yè)界利用這一特性制造出了二極管和晶體管等多種電子元器件。以常見的LED為例，它利用的就是PN結(jié)處電子與空穴（Hole）復(fù)合時發(fā)光的性質(zhì)。本文將為初學(xué)者深入淺出地講解PN結(jié)的工作原理和特性。
p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體基礎(chǔ)
在半導(dǎo)體材料中，通過向硅或鍺等元素中添加雜質(zhì)（摻雜），可以顯著改變其電氣性質(zhì)。要理解PN結(jié)，需要先掌握p型和n型各自的特點。
p型半導(dǎo)體的特點
p型半導(dǎo)體具有以空穴作為多數(shù)載流子進行導(dǎo)電的特性。具體而言，就是在硅等四價元素半導(dǎo)體中摻入三價元素（如硼）時，會在價帶中產(chǎn)生電子缺失，這便起到空穴的作用。
· 通過摻入雜質(zhì)使空穴成為多數(shù)載流子
在p型材料中，三價元素會呈現(xiàn)“電子不足”的狀態(tài)，將共價鍵中的1個空位作為空穴處理。因為空穴表現(xiàn)得像帶有正電荷，所以這種空位便成為電流的載流子。
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PN結(jié)的形成與耗盡層
PN結(jié)是指在單個半導(dǎo)體晶體內(nèi)，p型區(qū)與n型區(qū)相互接觸形成的結(jié)構(gòu)。在該接觸界面附近，電子和空穴通過擴散與復(fù)合，形成稱為“耗盡層”的載流子稀少區(qū)域，并產(chǎn)生內(nèi)建電勢。這一特性便是二極管和晶體管等電子元器件工作原理的基礎(chǔ)。
PN結(jié)的形成機制
當(dāng)p型和n型在同一塊晶片上接觸時，在交界面附近多數(shù)載流子會相互擴散。p型側(cè)的空穴會向n型側(cè)擴散，n型側(cè)的電子則會向p型側(cè)擴散，從而在交界面附近發(fā)生復(fù)合現(xiàn)象。
· p型和n型在同一塊晶片上的接觸（結(jié)）
在實際制造過程中，通常采用在晶圓上施以摻雜工藝，從而局部形成p型和n型區(qū)域的技術(shù)來實現(xiàn)的。利用這種技術(shù)，可以在同一塊晶圓襯底上制造出p型區(qū)域和n型區(qū)域緊密鄰接的狀態(tài)。
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PN結(jié)二極管的工作原理
向PN結(jié)施加電壓會改變耗盡層的厚度和內(nèi)建電勢的有效值，從而使電流的流動方式也發(fā)生顯著變化。在這里，我們將對二極管的正向偏置和反向偏置進行講解。
正向偏置和反向偏置
從外部將電源連接至PN結(jié)，使p側(cè)接正極、n側(cè)接負極的狀態(tài)，稱為“正向偏置”。這時耗盡層變窄，電流相對容易流過。
· 正向偏置時：耗盡層變窄，電流易于流過
當(dāng)向p側(cè)施加正電位、向n側(cè)施加負電位時，會削弱內(nèi)建電勢，從而使載流子更容易跨越勢壘。當(dāng)外加電壓超過內(nèi)建電勢時，將開始流過大電流。
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