半导体p-n结 半导体基础与能带结构 首先需要理解半导体的基本性质。半导体（如硅、锗）的导电性介于导体和绝缘体之间，其核心特征是其 能带结构 ：电子所允许占据的能量范围形成“能带”。能量较低的 价带 在绝对零度下被电子填满，能量较高的 导带 则全空。价带顶与导带底之间的能量间隙称为 禁带 （或带隙，Eg）。在有限温度下，部分价带电子获得热能，跃迁至导带，同时在价带留下带正电的 空穴 ，从而形成可以导电的电子-空穴对。 掺杂与载流子 纯净（本征）半导体的导电能力很弱。通过有控制地掺入微量杂质（ 掺杂 ），可以显著改变其电学性质。掺入提供额外电子的杂质（如硅中掺磷），会形成以电子为多数载流子的 n型半导体 。掺入能接收电子从而产生空穴的杂质（如硅中掺硼），则形成以空穴为多数载流子的 p型半导体 。掺杂后，n型半导体中电子浓度远高于本征值，p型半导体中空穴浓度远高于本征值，相应的少数载流子（n型中的空穴，p型中的电子）浓度则很低。 p-n结的形成与内建电场 当p型半导体和n型半导体物理接触时，由于二者交界处存在载流子浓度梯度，p区的空穴会向n区扩散，n区的电子会向p区扩散。扩散的结果是：在界面附近的p区一侧，因失去空穴而留下不可移动的负离子（受主离子）；在n区一侧，因失去电子而留下不可移动的正离子（施主离子）。这个区域被称为 空间电荷区 或 耗尽层 。这些固定电荷产生了一个从n区指向p区的 内建电场 （或内建电势差V_ bi）。 平衡状态与能带弯曲 内建电场的方向会阻碍多数载流子（空穴从p到n，电子从n到p）的进一步扩散，同时会促使少数载流子（p区的电子，n区的空穴）产生 漂移 运动（方向与扩散相反）。最终，扩散电流与漂移电流达到动态平衡，净电流为零，p-n结处于热平衡状态。从能带图上看，内建电场的存在使得结区附近的能带发生 弯曲 ：n区一侧的电子势能升高，p区一侧的电子势能降低，形成势垒，阻止了电子和空穴的继续扩散。这个势垒高度在数值上等于内建电势差V_ bi。 p-n结的偏置特性 正向偏置 ：将外部电源正极接p区，负极接n区。外电场方向与内建电场方向相反，从而降低了势垒高度（变为V_ bi - V_ ext）。这使得多数载流子的扩散运动大大增强，形成从p区到n区的显著正向电流（由空穴流和电子流共同构成）。电流随外加电压指数增长。 反向偏置 ：将外部电源正极接n区，负极接p区。外电场方向与内建电场方向相同，从而增大了势垒高度（变为V_ bi + V_ ext）。这使得多数载流子的扩散被完全抑制。此时，只有由热激发产生的少数载流子（p区的电子和n区的空穴）在内建电场作用下的漂移运动能形成微小的、且几乎不随电压变化的 反向饱和电流 。 p-n结的核心功能与应用 这种单向导电的 整流特性 是p-n结最基本、最重要的功能，是制造二极管、逻辑门等半导体器件的基础。此外，p-n结还具有以下关键功能： 电容效应 ：耗尽层宽度随偏压变化，相当于一个平行板电容器，称为 结电容 。 光电效应 ：光照在p-n结上时，若光子能量大于带隙，会产生电子-空穴对。在内建电场作用下，它们被分离，从而在外电路产生光生电流或光生电压。这是太阳能电池和光电探测器的原理。 发光效应 ：正向偏压下，注入p区的电子与空穴复合，或以光的形式释放能量（辐射复合）。这是发光二极管（LED）和半导体激光器的工作原理。