如何形成pn结？——物理过程解析

pn结形成的物理过程可以通过两种方式来解释，一种是从载流子运动的角度来分析，另一种则是基于能带的角度来分析。

1.从载流子运动角度来分析

从载流子运动的角度来分析pn结的形成，需要首先掌握漂移运动和扩散运动。在没有电场作用时，半导体载流子是不规则的热运动，因而不形成电流；当有电场时，半导体中的载流子将产生定向运动，称为漂移运动。扩散运动则是由于材料内部载流子分布不均匀而引起的。

n型半导体电子为多子而空穴为少子，p型半导体中空穴为多子而电子为少子。n型半导体电子与p型半导体中相互接触时，由于它们之间存在着载流子的浓度梯度。在该浓度梯度的驱使下，n区中的电子向p区扩散，p区中的空穴向n区扩散。电子离开n区后，在n区一侧出现了由施主离子形成的正电荷区，这些施主离子由于受到周围原子和电子的相互作用力，处于稳定状态，不可移动；同理，空穴离开p区后，在p区一侧出现了由不可移动的受主离子形成的负电荷区。通常把这些由电离施主和电离受主形成的区域称为空间电荷区，又称为耗尽区或者势垒区。这些电荷形成了一个由n区指向p区的电场，我们称为内建电场。该内建电场会促使少数载流子做漂移运动，进而产生了漂移电流，其电流方向与扩散电流方向相反。所以，内建电场起到了阻碍多子扩散、促进少子漂移的作用^[2]。

p型半导体和n型半导体形成之初，扩散运动强于漂移运动，使空间电荷区不断加宽，内建电场也随之增强；而这又使得漂移运动增强，阻碍空间电荷区继续变宽，最后当这两种运动达到动态平衡时，内建电场不再变化，空间电荷区的宽度稳定。当pn结达到动态平衡时，从n区向p区扩散过去多少数目的电子，同时也将从p区漂移回同样数目的电子；此情况同样适用于空穴。因此处于热平衡状态的pn结，没有电流通过，我们称此时为处于热平衡状态下的pn结^[3]。图5.2所示为pn结空间电荷区和内建电场示意图。

图5.2 pn结空间电荷区和内建电场示意图(www.xing528.com)

2.从能带的角度分析pn结的形成

从能带的角度来分析pn结的形成，需要进一步强调费米能级的物理意义，也就是载流子在T＞0K时，占据概率为1/2的能级。可想而知，当两个费米能级高低不同的材料接触时，必将引起电子或者空穴的移动，最终使两材料具有统一的费米能级，此时系统处于平衡状态。

图5.3a所示为n型半导体和p型半导体接触前的能带示意图；图5.3b所示为pn结能带结构示意图。由图可见，n型半导体的费米能级接近导带底部，p型半导体的费米能级接近价带顶部。当n型半导体与p型半导体接触时，电子将从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴从费米能级低的p区流向n区。这样流动的结果使得E_Fn与n区能带一起下降，E_Fp与p区能带一起上升，最终使得E_Fn=E_Fp。此时，pn结费米能级统一，pn结处于热平衡状态^[4]。若所用半导体材料是理想的、高纯度的、不存在界面态，则内建电压V_bi只存在pn结内部，pn结可以看做由三个区域组成：①p型电中性区；②空间电荷区，又称耗尽区；③n型电中性区^[5]。

图5.3 n型和p型半导体接触前的能带示意图与pn结能带结构示意图