P型與N型半導體的特性
P型（Positive）半導體與N型（Negative）半導體的差異，主要體現(xiàn)在它們的載流子類型上。這里所謂的載流子，通俗而言，即導體內(nèi)部能夠自由移動的帶電粒子，具體表現(xiàn)為電子或空穴。空穴可視為帶正電的準粒子。
通過向半導體材料（通常以硅Si為代表）中摻入不同的雜質(zhì)元素，能夠分別形成P型半導體與N型半導體。在P型半導體內(nèi)部，可自由移動的粒子為空穴，這些空穴帶有正電荷；而在N型半導體中，能夠自由流動的粒子為電子，電子帶有負電荷。
以下是兩種半導體材料的結(jié)構(gòu)示意。在P型半導體中，大紅圓代表不可移動的負離子；而小綠圓則表示可自由移動的空穴，這一特性極為重要，需特別留意。同理，在N型半導體中，大綠圓表示不可自由移動的正離子，而小紅圓所代表的電子則具有自由移動的能力。
PN結(jié)的形成機制
PN結(jié)是由P型半導體與N型半導體緊密接觸并相互結(jié)合而形成的。P型半導體富含空穴（作為正電荷載體），是通過摻入受主雜質(zhì)原子實現(xiàn)的；而N型半導體則富含自由電子（作為負電荷載體），是通過摻入施主雜質(zhì)原子獲得的。當這兩種不同類型的半導體材料相互接觸時，在它們的交界區(qū)域會形成一個特殊的區(qū)域——PN結(jié)。
當P型半導體與N型半導體接合時，由于P型側(cè)空穴濃度較高，N型側(cè)電子濃度較高，載流子會在濃度差的驅(qū)動下發(fā)生擴散運動。具體而言，P型半導體中的空穴會向其濃度較低的區(qū)域移動，同時N型半導體中的電子也會擴散至其濃度較低的區(qū)域，即進入P型區(qū)域。這樣一來，在P型區(qū)留下了不可自由移動的負離子，而在N型區(qū)則留下了不可自由移動的正離子。這些正負離子相互作用，形成從N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場。這一內(nèi)電場在很大程度上反映了PN結(jié)的工作特性。需要強調(diào)的是，雖然PN結(jié)的P型區(qū)帶負電，N型區(qū)帶正電，但從整體來看，它們是相互中和的，整個PN結(jié)仍保持電中性。
PN結(jié)形成的具體過程
在雜質(zhì)半導體中，正電荷與負電荷的數(shù)量相等，彼此相互抵消，從而維持電中性。PN結(jié)的形成過程可分為以下三個階段：
載流子濃度差引發(fā)的擴散運動
當P型半導體與N型半導體結(jié)合后，在它們的接觸面附近會出現(xiàn)電子和空穴的濃度差。N型區(qū)電子數(shù)量多而空穴數(shù)量少，相對地，P型區(qū)空穴數(shù)量多而電子數(shù)量少。在這種情況下，電子和空穴會分別從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴散。具體表現(xiàn)為，部分電子從N型區(qū)擴散到P型區(qū)，同時部分空穴從P型區(qū)擴散到N型區(qū)。
電子與空穴復合形成空間電荷區(qū)
在擴散過程中，電子與空穴相遇并發(fā)生復合（即中和）現(xiàn)象，這導致原本存在于P區(qū)和N區(qū)的電中性遭到破壞。P區(qū)因失去空穴而留下帶負電的受主離子，N區(qū)因失去電子而留下帶正電的施主離子。這些離子由于材料的晶格結(jié)構(gòu)限制而無法自由移動，因而被稱為空間電荷。它們主要集中在P區(qū)與N區(qū)的交界面附近，形成一個狹窄的空間電荷區(qū)，即所謂的PN交界處。
內(nèi)部電場的產(chǎn)生及其對擴散的影響
由于正負電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)內(nèi)形成了一個內(nèi)電場。該電場的方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負電的P區(qū)。由于這個電場是在半導體內(nèi)部自然形成的，因此被稱為內(nèi)電場。內(nèi)電場的方向?qū)τ谳d流子的擴散運動具有重要影響：它與電子的擴散方向相同，但與空穴的擴散方向相反，從而對載流子的擴散運動起到了阻礙作用。
綜上所述，在PN結(jié)內(nèi)部，載流子的運動主要表現(xiàn)為兩種形式：其一，多數(shù)載流子在內(nèi)電場阻力下進行的擴散運動；其二，少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下進行的漂移運動。只有當擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡狀態(tài)時，空間電荷區(qū)的寬度以及內(nèi)建電場才能保持相對穩(wěn)定。由于這兩種運動所產(chǎn)生的電流方向相反，在沒有外加電場或其他外部因素干擾的情況下，PN結(jié)內(nèi)部不存在宏觀電流。這種動態(tài)平衡狀態(tài)是理解PN結(jié)工作原理的關(guān)鍵所在。
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