引言：為什么 PN 結是所有半導體器件的“第一性結構”？

在整個半導體行業中，無論是邏輯芯片中的納米級 MOSFET、電力電子中的 SiC MOSFET 舍動器件，還是通信系統里的激光器和光電探測器，它們都共享同一個最基礎的物理結構：PN 結（PN Junction）。

它是

• 二極管的核心單元，

• BJT 的發射結與集電結，

• 太陽能電池的光生載流子分離界面，

• LED 的輻射復合區，

• MOSFET 中體區與源漏區的本質結構。

可以說，只要理解了 PN 結的物理，你就理解了所有半導體器件的根基。

本文將從半導體材料、擴散、電場、能帶結構、制造工藝等多角度出發，構建一個完整可操作的 PN 結物理框架。

一、從 N 型與 P 型材料說起：自由電子與空穴的“濃度不平衡”

半導體要導電，需要“多數載流子”。摻雜就是通過加入極少量雜質來人為制造電子或空穴。

• N 型（ND 摻雜）：電子是多數載流子

• P 型（NA 摻雜）：空穴是多數載流子

雖然兩種材料都帶有離子雜質，但單獨存在時都仍然是電中性材料。然而只要讓它們接觸，就會立即產生巨大差異。

原因在于：
N 型電子濃度極高，P 型空穴濃度極高，兩者形成濃度梯度。

當兩者接觸：

• 電子由 N → P 自發擴散

• 空穴由 P → N 自發擴散

擴散驅動力不是電場，而是濃度差。這就是 PN 結行為的起點。

二、擴散：由濃度梯度推動的載流子遷移

在接觸瞬間，發生兩個關鍵過程：

1. 電子擴散（從 N 跑向 P）

• 電子進入 P 區后找到空穴并復合

• P 區留下帶負電的“受主離子” NA(-)

• 這些離子無法移動，被“固定”下來

2. 空穴擴散（從 P 跑向 N）

• 空穴進入 N 區后與電子復合

• 在 N 區留下帶正電的“施主離子” ND(+)

• 同樣被固定

結果是：

• N 區靠近結區帶正電（ND+）

• P 區靠近結區帶負電（NA-）

這些固定的離子形成空間電荷區，也就是耗盡層。

三、耗盡層：載流子被“清空”，電荷被“定格”

由于電子和空穴在結區附近大量復合，結區內部不再存在自由載流子。這段區域被稱為：

耗盡層（Depletion Region）

其最重要的兩個特性：

1. 載流子幾乎被清空，因此無法導電

2. 暴露的離子形成強電場

耗盡層的寬度在兩側不同，必須滿足電荷中性：

Dp * NA = Dn * ND

其中：
Dp = 耗盡層在 P 型一側的寬度
Dn = 耗盡層在 N 型一側的寬度
NA = P 型摻雜濃度
ND = N 型摻雜濃度

摻雜越重，該側的耗盡層越窄。

例如：

• 對高摻雜硼的 P 區，Dp 會非常小

• 對輕摻雜磷的 N 區，Dn 會相對更大

這個關系在功率器件（如 SiC MOSFET）中尤為重要。

四、內建電場：PN 結的“自帶電壓”

擴散使得結區出現正負離子分布，固定離子之間會建立強電場：

• 方向：從 N 側（正）指向 P 側（負）

• 作用：阻止電子和空穴繼續擴散

隨著擴散持續進行，電場會越來越強，直到能夠阻止載流子的進一步移動，最終形成平衡狀態。

這個穩定電場對應一個內建電勢（Built-in Potential）。

它的表達式如下（純文本）：

E0 = VT * ln( (ND * NA) / (ni^2) )

其中：
E0 = PN 結在零偏時的內建電壓
VT = 熱電壓（室溫約 0.026 V）
ND = N 型摻雜濃度
NA = P 型摻雜濃度
ni = 本征載流子濃度
ln() = 自然對數函數

典型數值：

• 硅：E0 ≈ 0.6 ~ 0.7 V

• 鍺：E0 ≈ 0.3 ~ 0.35 V

?? 注意：即使無外加電壓，這個電勢也天然存在！

這就是為什么“未加電的二極管也有一個內建勢壘”。

五、PN 結的能帶圖：電勢如何體現在半導體結構中？

從能帶角度看：

• N 型的費米能級靠近導帶

• P 型的費米能級靠近價帶

當兩者接觸后，為了達到熱平衡，兩側必須共享一個統一的費米能級。

這會導致：

• P 區的能帶整體上升

• N 區的能帶整體下降

• 在結區形成能帶彎曲和勢壘

這個勢壘高度正是前面提到的 E0。
電子若想從 N 區進入 P 區，需要克服這個勢壘；空穴反之亦然。

六、現代器件中的 PN 結：不再是“左右兩塊材料”

早期教材經常畫成“兩塊 N 和 P 半導體拼在一起”。但現代工藝中，PN 結的形成方式完全不同：

1. 通過摻雜梯度形成

• N→P 的過渡不是跳躍式，而是漸變式

• 例如 CMOS 中的超淺結（USJ）

2. 外延生長（Epitaxy）

在同一晶體上生長低缺陷或異質結構，例如：

• Si 上外延 SiGe

• SiC 上外延薄層結構

3. 離子注入（Ion Implantation）與退火

現代 PN 結幾乎全部由離子注入形成，再通過退火激活。

注入參數可精確控制：

• 能量（決定深度）

• 劑量（決定摻雜濃度）

退火過程使雜質原子進入晶格，恢復晶體完整性。

這個過程讓“PN 結”從簡單材料接觸，進化成現代器件的納米級工程結構。

七、PN 結的 I-V 行為：為什么呈現指數關系？

二極管的典型方程：

I = IS * ( exp(V / (n * VT)) - 1 )

說明：

• 正向電壓升高 → 結區勢壘迅速被削弱

• 電子和空穴大量注入 → 電流呈指數上升

• 反向電壓 → 電流受限于極小的反向飽和電流 IS

指數特性不是經驗結果，而是 PN 結物理必然的結果：
“正向偏置減少勢壘 → 注入增強 → 注入主導電流 → 形成指數關系”

八、PN 結為什么重要？因為幾乎所有器件都由它擴展而來

PN 結構決定了以下器件原理：

• 二極管：單向導電

• BJT：發射結注入調制

• MOSFET：體二極管 + 源漏摻雜結構

• LED：電子空穴輻射復合

• 太陽能電池：內建電場分離光生載流子

• 光電探測器：反向偏置擴大耗盡區，提高靈敏度

從消費電子到汽車電子，從通信到新能源，PN 結都是不可替代的基礎單元。

九、結語：PN 結是半導體工程理解的起點

無論器件結構多么復雜，其本質都可分解為：

• 載流子擴散

• 電場建立

• 空間電荷區形成

• 內建電壓

• 正向注入與反向耗盡

• 指數型 I-V 行為

理解 PN 結，就是理解半導體器件的第一性物理規律。

它既是最簡單的半導體結構，也是所有復雜結構的基石。