当前课程知识点：微电子电路基础 > 第1章——PN结 > 1.4 PN结动画介绍（英文版） > The PN Junction How Diodes Work (English version)
我们可以在很多地方找到半导体PN结
他们构成了的电子和光电子器件的一部分
例如将太阳能转化为电能的太阳能电池单元
发光二极管
整流二极管以及晶体管
为了了解什么是半导体材料以及怎样制造pn结
我们需要潜入原子的世界
目前 最知名的半导体是硅
在硅晶体中 每个原子都通过四个电子
形成的共价键与它相邻的原子连接在一起
在较低的温度下 这些电子会保持在共价键状态
当温度升高时 其中一些处在共价键中的电子
会获得热量并逃逸
这样他们就可以自由移动并且导电
同时 被打破的共价键会被
来自其他共价键的电子所占据
这些电子的移动过程一般来说不需要额外的能量供应
这个断键而成的新状态被称为空穴
可以理解为一个带有正电荷的有质量颗粒
我们可以引入半导体杂质
也就是以其他不同的原子代替硅原子
如果新原子的最外层有五个电子
那么其中的四个电子将取代硅的四电子键
额外的电子将被松散地连接到杂质上
在室温下 这第五个电子被从原来的原子中解放出来成为一个传导电子
因此 杂质带正电荷
这可能会导致掺了杂质的半导体比纯半导体
呈现出更多的电子数
这种情况下掺入的杂质数量可以用制造工艺来控制
这种带有负电荷载体的含杂质半导体
被称为N型半导体
而其中提供电子的杂质被命名为“供体”杂质
外层只有三个电子的半导体杂质也是同样
这三个电子会构成四个键中的三个
第四键位仍然会被空置
然而 在室温下 来自于其他键的电子
可以在占用这个空置的位置
这会在材料中产生一个空穴
并使之成为一个负电荷的杂质
而且 与先前（外五电子）类似
被掺入的杂质的数量可以用制造工艺来控制
因此 在这种掺杂材料的空穴的数量
可能比纯半导体的空穴的数目大得多
这种带有正电荷的载体的半导体类型
被称为P-型半导体
而这些接受电子的杂质被命名为受主杂质
PN结是一个由其邻近区域内不同的杂质
也就是P型半导体和N型半导体形成的结构
PN结是许多设备中至关重要的一部分
如 二极管
如果一个正向压降作用在
一个二极管的P端和N端之间
在实验中就可以观察到一个很大的电流
如果我们改变的连接器方向
使正向压降作用于N端和P端之间
在实验中将只能观察到一个非常小的电流
这在实际的应用中是可以忽略不计的
以上就是PN结的“不对称”特征
这个奇特的电流单向传导性
使大范围的光谱于电路的应用得以实现
为了理解PN结的这个特征
我们必须考虑到生成电流的两种机制
也就是扩散机制和漂移机制
了解扩散机制的其中一种方法
是想象集中在两个不同区域的两组异色颗粒
这些颗粒的随机自由移动
会使整体体积浓度趋于平衡
这种产生游离颗粒并试图占据最大体积的物理机制
就是扩散机制
漂移机制是一种由电场引起的运动
这个电场使得正负电荷载体朝相反方向移动
如果在一个空间区域有一个电场
这个区域将会相伴有一个电势
在电场方向上 电位下降
不同高度的电位会形成“障碍”来阻碍电荷运动
它的影响可以用下面的比喻来理解：
让我们想象一个物体在重力场中以某一速度移动
如果物体上升 它会失去动能并增加势能
如果初始动能不足 物体就将无法跨过障碍
但如果初始动能足够 物体就能跨过它
甚至还会有多余的动能去继续运动
同样 电位对带电粒子会起到一个类似障碍的效果
只要动能足够大 颗粒就可以跨越这个“障碍”
制造PN结的第一步是将掺了N型或P型半导体的杂质
介入到其相反类型的杂质中
为了了解这种结构的运作方式
以及相关的物理过程的发生条件
我们将使用一个教学模型
该模型包括一个P型半导体
和一个与之完全匹配的N型半导体
P型半导体比N型半导体具有更高的空穴浓度
因此 P区的空穴会扩散到N区去
同样 N区的电子也会扩散到P区去
电子和空穴的扩散会创建一个
耗尽自由电荷粒子的区域
只留下这些电荷粒子的电离杂质
因此 带有正电的电离杂质区域
和带负电的电离杂质区域之间会出现在PN结
这一特殊电荷分布会产生电场
这个电场的电势会作为一个障碍
来阻止电子和空穴的位移
当扩散电流等于漂移电流时该状态会达到平衡
在器件中 势垒对扩散电流来说是个障碍
而增大外部电压可以使势垒高度降低
同时这也增大了电流
因此 我们可以通过使用电池施加外部电压
来修改PN节里的势垒高度
如果一个正向压降作用于P区和N取之间的区域
势垒高度会被降低
低势垒将不能阻止电子和空穴在结构中的扩散
而由于扩散机制 电流将会出现在PN结中
在这些条件下 PN结被称为在正向偏压下操作
如果电压反转 使N区比P区拥有更高电压
势垒高度会增加 这会阻碍电子和空穴的扩散
此时 电流微小到可以忽略
综上 PN结只能导通一个方向 从而产生一个电流
当势垒显著降低时 电流会非常迅速地增加
PN结除了存在于无数的电路和电子元件中
在光电应用中亦然
例如 发光二极管 光电二极管和太阳能电池
LED所发出的光产生于
一种被称为“重组”的物理现象
重组是一个电子和一个空穴被消灭
并释放能量的过程
在材料确定 正向偏压下的情况下
这种能量会作为光发射出来
重组电子和空穴对越多 光线就越强烈
光电二极管和太阳能电池
则是基于叫“生成”的物理现象
与重组相反、生成是光子产生电子-空穴对的过程
而电子-空穴对的运动可以产生电流
总结来说 无论亲疏远近
PN结在我们的环境中无处不在
令人难以置信的是
一个那么简单的结构竟是如此有用
且极其深远的影响了我们的生活
-0.0 课程介绍
--课程介绍-视频
-1.0 本周课程简介
--第一周课程简介
-1.1 PN结的简介
--PN结的简介
-1.2 PN结的平衡状态
--PN结的平衡状态
-1.3 能带图
--能带图
-1.4 PN结动画介绍（英文版）
--The PN Junction How Diodes Work (English version)
-讨论题
-2.0 本周课程简介
--第二周课程简介
-2.1 MOS结构的阈值电压
-2.2 MOSFET的直流电流电压关系
-2.3 MOSFET的交流小信号参数及等效电路
-讨论题
-3.0.0 模拟电路设计概论
-3.0 本周课程简介
--第三周课程简介
-3.1 模拟电路基础概念
-3.2 基本共源放大器
-3.3 共源放大器的拓展
-3.4 源极跟随器
-3.5 共栅放大器
-3.6 共源共栅放大器
-3.A WinSpice 软件的使用与仿真程序
-第四周课程介绍
--第四周课程介绍
-4.1 差模信号和共模信号
-4.2 基本差分对
-4.3 共模响应
--4.3 共模响应
-4.4 基本电流镜
-4.5 有源电流镜
-第五周课程简介
-5.1 波特图的回顾和开环时间常数
-5.2 密勒效应
--5.2 密勒效应
-5.3 MOS晶体管高频模型
-5.4 共源高频响应
-5.5 源随高频响应
-5.6 共栅高频响应
-5.7 共源共栅高频响应
-5.8 差分的高频响应
-第六周课程简介
--第六周课程简介
-6.1 反馈介绍和四种基本反馈
-6.2 四种基本反馈
-6.3 反馈参数和稳定性参数
-6.4 频率补偿
--6.4 频率补偿
-6.5 共源共栅放大器
-6.6 折叠共源共栅放大器
-第七周课程简介
--第七周课程简介
-7.1 逻辑门
-7.2 布尔代数的运算法则
--讨论题1
--讨论题2
--讨论题3
