模電：半導體和PN結
半導體（semi-conductor），是指常溫下導電性能介于導體（conductor）與絕緣體（insulator）之間的材料。常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅是在商業應用上最具有影響力的一種。
-
本征半導體
純凈不含雜質的半導體，稱為本征半導體。
以硅晶體結構為例：
硅晶體4個共價鍵結構
硅是+4價原子，外部有4個電子。硅晶體內部，每兩個硅原子之間都有2個電子組成共價鍵。
我們知道，水流是由水的移動形成的，水分子是水流的載流子；同樣，帶電荷的可移動粒子是電流的載流子。由于受到共價鍵的束縛，原子核（帶正電荷）和電子（帶負電荷）都不可移動的，所以硅的導電性能比較差。
硅晶體的共價鍵并不是非常堅固，由于受到熱、光等能量的激發作用，部分電子獲得足夠的能量，可以擺脫共價鍵的束縛，帶負電荷的電子便可以移動了，支持了電流的形成。這個電子離開原子后，共價鍵就少了一個電子，留下一個空位置（我們稱為空穴），該原子失去電子的同時，變成了帶正電荷的離子。因為這種帶正電荷的離子都有一個空穴，我們不如將空穴視為帶正電荷的“粒子”（實際上空穴不是粒子，但是原子有空穴，就代表此處帶正電）。
這種由于熱激發產生了一對“自由電子”和“空穴”的過程，稱為。自由電子帶負電荷，空穴代表正電荷。自由電子和空穴都是半導體的載流子。
同理，自由電子和空穴也可以復合，復合后一對自由電子、空穴消失，同時釋放能量。
常溫下，本征激發產生的自由電子非常少，導電性很差，介于絕緣和導體之間，所以稱其為半導體。
-
雜質半導體
摻入雜質的半導體稱為雜質半導體。
由于本征導電性能差，如果參入+5價或者+3價的原子，可以大大提高其導電性能。
比如，摻入+5價的磷原子后，磷的4個電子和周圍4個硅原子形成共價鍵，還剩有1個電子，由于不受共價鍵束縛可以自由移動，這種雜質半導體稱為N型半導體。N代表負極性Negetive，由于引入了1個自由電子，所以稱為N型半導體。
同理，摻入+3價的硼原子后，硼的3個電子和周圍4個硅原子形成共價鍵的話，會出現一個空穴，這種雜質半導體稱為P型半導體。P代表正極性Positive。
PN結
將P型半導體和N型半導體放在一起后，在它們的接觸面會形成PN結。
PN結最顯著的特點是：電流單向導通。
我們都在初中物理中都學過擴散原理。由于濃度不均勻而產生的粒子定向運動，叫做擴散。
當把Ｐ型半導體和Ｎ型半導體結合在一起后，雖然原子受共價鍵作用不能移動，但是空穴和自由電子是可以移動的。于是，在接觸面附近的電子和空穴會向對方區域移動而復合消失。
擴散運動
在接觸面附近，失去電子和空穴的原子變成了帶電離子，但由于共價鍵束縛不可移動，便形成了一個內部電場。
內電場形成
這個內電場形成后，反過來又阻止擴散運動。最后會達到一個動態的平衡。中間這個內電場區域，因為只有離子也叫空間電荷區。內電場形成的電勢阻止了電子和空穴的擴散、復合，在PN之間形成了一道壁壘，所以又稱為勢壘區。這就是PN結的形成過程。
提一下，由于內電場的作用，使載流子產生的運動，叫做漂移運動。PN結內，漂移運動方向和擴散運動是相反的。
-
PN結的特點
PN結最顯著的特點是：電流正向導通，反向截止。
給PN結外加正向電壓時，我們稱為正向偏置，簡稱正偏。
正偏狀態下，外加的電場會削弱內電場的壁壘作用，空間電荷區變窄，電子和空穴穿越空間電荷區會容易些。在外電場的持續作用下，便可以形成持續的電流。外電場越大，電流越大。
PN結正偏導通
給PN結外加反向電壓時，我們稱為反向偏置，簡稱反偏。
反偏狀態下，外加的電場會增強內電場的壁壘作用，空間電荷區變寬，電子和空穴更加難以進入空間電荷區，不能形成持續的電流。
PN結反偏截止
劃重點：PN結形成過程
▼載流子濃度不均->擴散運動->在P、N接觸面，電子空穴復合消失
▼離子不能移動->空間電荷區->內電場->漂移運動、阻止擴散->動態平衡，形成PN結
用PN結做成的器件就是二極管。其實這種單向導通的特點，在生活中也很常見，比如，車站單向出口旋轉門，輪胎的氣門芯，防止水管逆流的止回閥，心臟和血管里防止血液逆流的瓣膜。
靜脈瓣膜，正向開放、反向關閉
相關鏈接：
1、去看看二極管長啥樣
2、PN結二極管的什么時候發明的
