PN结形成笔记（deepseek版）

一、半导体基础

1. 本征半导体（您的原笔记）

结构：正四面体晶体（如硅原子4个共价键）
载流子类型：
- 自由电子：挣脱共价键的价电子（带负电）
- 空穴：电子离开后留下的空缺（等效带正电）
本征激发：温度升高→电子获得能量→挣脱束缚产生电子-空穴对
复合：自由电子回填空穴时，释放能量（发光或发热）

重点理解：
空穴不是实体粒子，而是描述电子移动留下的"空缺"。当邻近电子填补空穴时，等效为空穴在移动。（类比：教室有空座位，同学依次往前坐，看起来像"空位"在向后移动）

二、杂质半导体（您的原笔记+扩展）

2.1 N型半导体

参杂元素：磷(P)、砷(As)（5价元素，多1个电子）
载流子：
- 多子：自由电子（由磷原子提供）
- 少子：空穴（由本征激发产生）
电中性原理：磷原子失去电子成为正离子，整体仍显中性

2.2 P型半导体

参杂元素：硼(B)、铝(Al)（3价元素，少1个电子）
载流子：
- 多子：空穴（硼原子"捕获"电子产生）
- 少子：自由电子（由本征激发产生）

扩展说明：
温度升高时，少子浓度显著增加（例如N型中空穴变多），多子浓度几乎不变（因为杂质已电离完全）。

三、PN结形成过程（您的原笔记+动态演示）

3.1 扩散运动（您的原笔记）

P区空穴→向N区扩散
N区电子→向P区扩散
（浓度差驱动，类似墨水滴入清水）
空间电荷区形成：
- 交界处P侧留下负离子（失去空穴）
  N侧留下正离子（失去电子）
- 产生由N指向P的内建电场（约0.7V for Si）

3.2 动态平衡（您的原笔记+微观解释）

扩散电流：多子的浓度差驱动（P→N的空穴，N→P的电子）
漂移电流：少子在内建电场下的运动（N→P的空穴，P→N的电子）
平衡条件：扩散电流 = 漂移电流 → 净电流为零

助记图示：
想象两个水池（P区和N区），中间有闸门（PN结）：

初始时P池水位高（空穴多），N池水位低→水流扩散

水位差产生反向压力（电场力）→最终水流达到平衡

四、单向导电性（您的原笔记+实验对照）

4.1 正向偏置（P接正极，N接负极）

现象：
- 外电场削弱内建电场 → 耗尽层变薄
- 多子扩散恢复 → 形成大电流（P→N方向）

4.2 反向偏置（P接负极，N接正极）

现象：
- 外电场增强内建电场 → 耗尽层变宽
- 仅有少子漂移电流 → 电流极小（nA级）

实验验证：
用二极管串联LED：

正向：LED亮（导电）

反向：LED灭（截止）

五、易错点总结

空穴导电实质：是相邻电子递补空位形成的等效运动
多子来源：
- N型：来自杂质原子（如磷）的多余电子
- P型：来自杂质原子（如硼）产生的空穴
温度影响：
- 正向导通时：温度↑→所需开启电压↓
- 反向截止时：温度↑→漏电流↑显著

补充1：PN结电流方程

肖克利方程 (Shockley Diode Equation)

$$
I = I_S \left( e^{\frac{V}{nV_T}} - 1 \right)
$$
参数说明：

符号	物理意义	典型值示例（Si二极管）
$I_S$	反向饱和电流	$10^{-12} \sim 10^{-9} A$
$V_T$	热电压 ($kT/q$)	26mV（300K室温）
$n$	发射系数（理想因子）	1（理想）~2（实际）
$V$	外加电压（正向为正）	正向导通电压0.7V（Si）

方程特性：

正向偏压（$V > 0.1V$）：$I \approx I_S e^{V/(nV_T)}$（指数增长）
反向偏压（$V < -0.1V$）：$I \approx -I_S$（恒定微小电流）

补充2：关键示意图

图1：PN结结构示意图

  P型半导体           N型半导体
┌───────────┐     ┌───────────┐
│○ ● ○ ● ○ ●│     │○ ● ○ ● ○ ●│→ 自由电子（多子）
│● ○ ● ○ ● ○│     │● ○ ● ○ ● ○│
│○ ● ○ ● ○ ●│     │○ ● ○ ● ○ ●│
└───┬───┬───┘     └───┬───┬───┘
    │   │             │   │
    ▼   ▼             ▼   ▼
  空穴（多子）      正离子区

空间电荷区（耗尽层）：P区侧负离子，N区侧正离子
内建电场方向：N→P

图2：偏置状态对比

正向偏置（导通）         反向偏置（截止）
       P←+   -→N             P→-   +←N
     ┌───────┐             ┌───────┐
     │ 变薄  │             │ 变厚  │
     └───────┘             └───────┘
     多子扩散畅通           少子漂移受限
     电流大（mA级）         电流极小（nA级）

图3：能带图解释

       P型                 N型
导带  ────◯───────────────◯────
           ▲               ▲
           │ 内建电势V_bi  │
价带  ────●───────────────●────
      空穴多            电子多

势垒高度：$ qV_{bi} = E_{FN} - E_{FP} $（费米能级差）
正向偏压时：势垒降低 $ q(V_{bi}-V) $
反向偏压时：势垒升高 $ q(V_{bi}+V) $

图4：电流方程曲线

    I(mA)          
    │                
    │ 正向导通区       
    │ /                
    │/                 
────┼───────▶ V(V)     
    │\←反向饱和电流    
    │ \                
    │  击穿区