图5.3 硅掺入硼后的结构平面示意图
本征半导体的载流子浓度低，导电能力差，于是人们通过掺入特定杂质来提高电性能。在本征半导体中掺入三价元素硼（B），硼原子替代了硅晶体中某些硅原子的位置。由于硼只有三个价电子，它们分别和相邻的三个硅原子的价电子组成共价键，第四个共价键缺少一个电子，因此形成空穴。图5.3是硅掺入硼后的结构平面示意图。掺入一个硼原子就会出现一个空穴，尽管掺入的硼原子是微量的，但是其产生的空穴远远超过本征半导体中的电子-空穴对，所以导电能力大幅度提高。这种空穴为多数载流子的杂质半导体称为P型半导体。如果在本征半导体硅中掺入微量的五价元素磷（P），由于磷原子有五个价电子，它的四个价电子分别和相邻的四个硅原子的价电子组成四个共价键，那么多余的一个电子就成为自由电子。图5.4是在硅中掺入磷后的结构，磷原子贡献的自由电子远远超过本征半导体的电子-空穴对，电子为多数载流子的杂质半导体称为N型半导体。
杂质半导体是通过掺杂工艺制备的，掺杂的方法主要有扩散和离子注入两种，这两种方法在分立器件或集成电路中都有用到，并且两者是互补的。杂质扩散一般是将本征半导体晶片放入精确控制的高温石英管式炉中，与带有扩散杂质的混合气体发生化学反应。对于硅晶片，常用的温度范围一般在800～1200℃。硼是最常用的P型杂质，砷和磷是最常用的N型杂质。离子注入是在真空中将具有一定动能的带电离子射入硅晶片中，入射动能在1 keV到1MeV，对应的平均离子分布深度范围是10 nm到10µm。相对于扩散工艺，离子注入的主要好处是能够较为精准地控制杂质掺入量，重复一致性较好，同时离子注入的加工工艺温度比扩散低。
图5.4 硅掺入磷后的结构平面示意图
如果P型半导体和N型半导体连接在一起，便形成P-N结。假设温度不是绝对零度，P区的空穴会扩散到N型材料中，这是因为P区的空穴浓度高于N区，与此同时自由电子从N区扩散到P区。这两个电流分量加在一起组成扩散电流I D，其方向是从P区到N区。扩散到N区的空穴迅速与自由电子复合，这使N区在靠近交界的区域只剩下带正电的杂质离子。同样，P区在交界区域附近只剩下带负电的杂质离子，如图5.5所示。
由于这个区域耗尽了自由电子和空穴，因此我们将其称为耗尽区。这些带电离子在耗尽区中形成内部电场，叫作势垒电势，N区极性为正，P区极性为负。在该内部电场作用下，N区内的少数载流子（空穴）从N区流向P区，同时P区内的少数载流子（自由电子）从P区流向N区，两者合在一起形成漂移电流I S，方向是从N区到P区。在P-N结开路时，外部电流为零，因此在稳定状态下两个电流I D和I S大小相等方向相反，P-N结的端电压为零。
事实上P-N结并不能通过将两种材料简单地连接在一起就能实现，而是通过扩散或离子注入的方法制造。例如：在P型材料中以离子注入的方式在表层掺入磷原子，该区域的磷原子浓度要高于硼原子浓度，因此自由电子浓度高于空穴浓度，这样表层区域就变成了N型材料，从而生成了P-N结。
图5.5 开路条件下的P-N结(www.xing528.com)
现在我们考虑一下如果将P-N结与一个外部电压源连接会发生什么。有两种连接方式，一个是正向偏置，一个是反向偏置。图5.6显示的是正向偏置，P-N结的P端连接到电压源的正极，其中虚线表示电子流动的方向（与电流方向相反）。首先电子从电压源的负极端流向P-N结的N区。在N区中多数载流子是电子，这些电子很容易在N区中移动，当进入耗尽区时，如果电压源提供的电势足够高，大量自由电子就会扩散到P区中，那里存在大量的空穴。电子可以从P区迁移到电压源的正极，从而形成电流回路（电路中的电阻用于限制电流）。电压源要确保提供的电势足够大，以克服耗尽区中的势垒电势。势垒电势精确值取决于所使用的材料。对于硅器件，势垒电势通常在0.7V左右；对于锗器件，它接近0.3V；而LED在1.5V至3V，取决于LED的颜色。
如果图5.6中的电压源极性相反，N型材料中的电子将被拉向电压源的正极端，而P型材料中的空穴将被拉向负极端，从而产生一个瞬时的小电流，使得耗尽区扩大，达到稳定状态后反向电流基本不变，称为反向饱和电流。电源电压的进一步增加会不断地扩大耗尽区，直到P-N结被反向击穿。P-N结这种正向偏置导通而反向偏置截止的特性十分重要，最简单的半导体器件二极管就是一种P-N结，它在电子技术中的应用十分广泛。二极管是一种允许电流在一个方向上容易通过但在相反方向上无法通过的器件。
图5.6 P-N结正向偏置电路
正向偏置时P-N结的伏安关系可以用肖克利方程来表示：其中I是二极管电流，I S是反向饱和电流，V D是二极管两端的电压，q是电子电量，n是品质因数（通常在1到2之间），k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。在300K温度下，q/kT约为38.6，因此公式中的“-1”通常可以忽略。I S不是常数，它随温度升高成指数关系增加，每升高10℃大约增加一倍。
我们以硅基二极管为例，它的伏安特性曲线如图5.7所示。当正向偏置电压较小时，外加电场不足以克服耗尽区内的势垒电势，多数载流子无法形成扩散电流，因此正向电流约等于零，我们称为二极管处在死区，如图5.7中A区域所示。当正向偏置电压达到死区电压，二极管开始有微弱的电流。不同半导体材料，死区电压各不相同。硅的死区电压约为0.5V，锗的死区电压约为0.1V。二极管导通以后（如图5.7中B区域所示），电流随着电压的升高成指数关系上升；当电压较大时，电流近似于直线上升。这是因为正向偏置电压较大时，耗尽区的宽度变得很窄，非线性的结电阻变得很小，这时耗尽区外的二极管体电阻和电极的接触电阻占主导地位，所以电压和电流的关系基本符合欧姆定律。
图5.7中C区域表示二极管在反向电压作用下的特性，反向电流即是反向饱和电流，从肖克利方程可以得出：当V D为负数时，电流基本等于
I S，负号表示反向。当反向电压达到U BR时，反向电流迅速增加，如图5.7中D区域所示。这是因为P-N结被反向击穿，此时肖克利方程不再适用。反向击穿是因为反向电压足够大，导致耗尽区内的电场很大，从而把共价键中的电子拉出来；或者少数载流子在耗尽区内漂移过程中获得足够高的速度，将共价键中的电子撞出来。如果反向击穿电流控制不要过大，当反向电压减小时，二极管性能是可以恢复的。但是如果击穿电流过大，产生过高的热量可能烧毁P-N结，二极管性能则无法再恢复。
图5.7 硅基二极管的伏安特性曲线
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