2005-05-10：PN 结原理

  正在琢磨着玩沙子的事，空姐 MM 跑了上来，显然她的帅锅们没在网上，要不她不会主动搭理我这个垫底帅哥的。

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云上漫舞：“你在忙什么？研究走廊照明？”

我：“没有，这回是真的尖端科技了。我在研究怎么样玩沙子。”

云上漫舞：“和尿泥啊？你还小点儿。呵呵。”

我：“这你都想到了？经验还真丰富，小时候没少干这事吧？”

云上漫舞：“干过，还是和帅哥一起和的泥呢。”

我：“真的啊？我想知道究竟是谁撒的尿谁和的泥？”

云上漫舞：“哈哈，帅哥撒的，我们一起和的泥。帅哥撒尿会准一点。”

师：“你在忙什么？研究怎么玩沙子？”

我：“对啊。空姐 MM 说她小时候和帅哥一起和尿泥的事。”

师：“我们今天讨论 $PN$ 结，没时间了，先别泡 MM 了。”

我：“为什么总在关键时刻禁止我和 MM 们聊天？”

师：“MM 们？你小子胃口还真不小。是不是只有我一个不是 MM？”

我：“差不多是这样。不过还有一个同学是男的。”

师：“好了，不扯这些了。我们今天要把一块半导体材料一半做成 $P$ 型另一半做成 $N$ 型，然后看看有什么有趣的事情发生。”

我：“切两半还能发生啥有趣的事情？”

师：“我说要切成两半吗？还是一个整体。先收图吧。（figure0061）”

我：“整个的？这会出现有趣的事情？”

师：“当然会。$N$ 区有很多自由电子，而 $P$ 区有很多空穴，它们又是一个整体，显然 $N$ 区的电子会跑到 $P$ 区去‘占坑’。”

我：“这样 $P$ 区的共价键就补全了，这不又成了一块‘本征’半导体了吗？”

师：“补不全。 $N$ 区虽然有自由电子，但因为质子数和电子数相等，所以不显出带电。然而一旦当 $N$ 区的电子跑去 $P$ 区‘占坑’后，$N$ 区的质子数就比电子数多了，它显出带正电。”

我：“$P$ 区多了很多电子，带上负电。这不就是一节电池了吗？”

师：“这时 $N$ 区会努力将电子重新吸回来，$P$ 区也会努力把电子推回去。”

师：“不是电池。$N$ 区的电子跑去 $P$ 区是为了寻求‘共价键’的平衡，然后造成 $N$ 区质子与电子的不平衡。这是为了达到一个平衡而制造了另一个不平衡，这不是发电。”

我：“可我们以前说的电子在一个物体内分布不均就是发电啊？”

师：“你用根导线把电池正负极接一起，负极的电子会沿着导线流回正极，我们才说电池 ‘发出’ 了电。你把 $P$ 型和 $N$ 型半导体两头用导线连上可没这效果。”

我：“$P$ 区多的电子不会沿导线回到 $N$ 区吗？”

师：“它若想回到 $N$ 区，从半导体里面回去最方便了，为何要绕道走呢？”

我：“那电池负极的电子怎么就必须绕道呢？”

师：“电池内部在发生化学反应啊？！是那个化学反应把电子‘强行’搬到负极去，根本就不允许电子从内部回去啊。我们以前的讨论都白瞎了！”

我：“先别急嘛，我一时绕不过来，等我想想。”

我回忆了一下以前讨论的内容，不论是电池还是发电机，总是有一股“力量” “迫使”电子重新分布。对电池来说是化学反应的力量，对发电机来说则是电子在磁场中运动受的 “洛仑兹力”。而在这个半导体中，$N$ 区电子是自发地跑到 $P$ 区，它不是受空穴的吸引？不会，只有质子会吸引电子，$P$ 区虽然有空穴，但总质子数并不超过总电子数，它不会吸引电子。相反 $N$ 区的电子过去后，$P$ 区总电子数反超总质子数，它会带上负电的。

我：“那么如果有能量注入到这个半导体里面，比如说光能，应该会让那些电子绕道外面的导线回 $N$ 区吧？这就是发电了？”

师：“你这句话多少让我舒坦了一点，以前聊的终于没有变成废话。我们继续。”

以上是对太阳能电池所做的极粗糙的解释，仅供了解。

师：“刚刚说 $N$ 区会吸引那些跑去 $P$ 区的电子，而 $P$ 区也会排斥它们，这使得这些电子只能‘越界’一点点，它们集中在 $P$ 区和 $N$ 区的‘交界’处的一个‘薄层’里，这个‘薄层’的厚度以‘微米’计。”

我：“这个能理解。那么有什么办法能让电子充满整个 $P$ 区呢？”

师：“充满干嘛？这个处于交界面的薄层我们将其称为 ‘耗尽层’，有耗尽层的交界面我们称为一个 ‘结（Junction）’， 由于是由 $P$ 型和 $N$ 型两种半导体形成，所以叫‘$PN$ 结。’

“耗尽层”也常被称为“阻挡层” 。

我：“不让电子充满整个 $P$ 区啊？”

师：“电子没法充满整个 $P$ 区啊！它刚过去一点 $N$ 区的质子就要把它拉回来了。”

我：“那之后呢？该怎么玩这些电子和空穴？”

师：“之后我们就给 $PN$ 结通电（figure0062），外面放一个电源，正极接 $P$ 区，负极接 $N$ 区，电压调到很低，就设到 $0.1V$ 吧。”

我：“干嘛这么低？设 $1V$ 多好算啊？”

师：“0.1 和 1 不是一样好算吗？这不为计算方便，为了把事情说清楚。你先别打断。”

师：“电压虽低，但电源的正极也一样想从 $P$ 区得到一些电子，电源负极也想把一些电子推进 $N$ 区。但 $P$ 型半导体的性质我们已经说过了，它有空穴但没有那么多自由电子。”

noob-coder注：

电子流动方向与电流方向相反：电子从负极流向正极，而电流方向定义为正电荷从正极流向负极。

我：“不是从 $N$ 区过来了一些电子吗？把这些电子交出去不就行了？”

师：“$P$ 型半导体也是这么想的，但是总得征求一下 $N$ 区的意见啊？那是人家 $N$ 区的电子。 结果当然是 $N$ 区不同意交出这些电子，它还一心想着把这些电子拉回来呢。”

我：“真够抠门儿的，斤斤计较。”

师：“$P$ 型半导体没办法，只好对电源说了：‘哥们儿，还真帮不了你，人家那头不答应。要不你给加点电压怎么样？那头受不了一松手就 OK 了。’ ”

我：“你还挺能拽的，呵呵。”

师：“电源没办法，‘行，那咱就加点压！’，$0.2V$，$0.3V$，$0.4V$，电源开始发力，可是 $N$ 型半导体还就跟电源 ‘铆上了’，死活不松手。直到电源加到 $0.7V$，$N$ 型半导体扛不住了，电子开始沿着 $P$ 区那条由空穴铺成的路流出来，进入电源正极。”

我：“那 $N$ 区还得供应电子去补 $P$ 区的共价键？这样电源负极的电子肯定会补进 $N$ 区吧？”

师：“那是自然。这个电源还有点不满足，它的电压又悄悄增大了一点点，这下不得了，$N$ 型半导体崩溃了，流过 $PN$ 结的电流忽的增大了好多。电源很是惊奇：‘这么爽啊？我再大一点成吗？’ 于是电源又升高了一点点电压，流过 $PN$ 结的电流又是迅猛上升。”

师：“电源觉得好玩：‘再大一点试试吧。’ 它又升高一点点，电流继续急剧地增大。这时电源有点含糊了，它不敢再增大，因为那块半导体开始发烧了。”

我：“这个是不是说，此时 $PN$ 结的电阻已经非常的小，以致于电压升高一点点电流就会增大很多？”

师：“嗯，可以拿电阻来类比。”

师：“$P$ 区接电源正，$N $区接电源负，这就是‘正向接电’。 $PN$ 结正向接电时，当电压高于 $0.7V$ 后就会‘导通’，然后就变得类似一个很小的电阻，像短路一样。”

注意用电阻类比 $PN$ 结是非常重要的，但并非像上面所说的这样简单，后文还会继续讨论。

我：“干嘛非 ‘导通’ 呢？这些词怎么都这么别扭啊？我就说‘$P$ 正 $N$ 负，电压高于 $0.7V$ 就通了’，这行不行？”

师：“行啊，其实就是这个意思。我们现在来看 $P$ 区接电源负极 $N$ 区接正极会怎么样。”

我：“这先让我想想，我试着分析分析。”

$P$ 区接电源负极，电源负极想把电子送到 $P$ 区，而 $P$ 区有很多空穴，正好需要这些电子。而 $N$ 区接正 的话 $N$ 区的自由电子刚好被电源吸走啊。

我：“这样连接也应该能通，$P$ 区的空穴刚好需要电源负极的电子，而 $N$ 区的电子刚好被电源正极吸走，这样电子刚好运动起来了。”

师：“如果是这样的话，可以想像 $P$ 区的空穴都被填满，$N$ 区的电子也跑光了，那这块半导体不就成了 ‘本征’ 半导体了吗？两头都是稳定的共价键结构，还能导电吗？”

我：“是我想错了吗？怎么会这样啊？”

师：“实际上，$PN$ 结这样‘反向接电’是不‘导通’的。”

我：“那我继续加压可以吗？”

师：“可以加，但你要注意，$N$ 区的电子跑到 $P$ 区后，$P$ 区已经带上负电了啊，电源负极还想把自己的电子塞进 $P$ 区，这恐怕要遭排斥。”

我：“没天理啊！$N$ 区的电子到 $P$ 区不受排斥，电源负极的电子就受排斥啊？”

师：“谁说 $N$ 区来的电子不受排斥？$N$ 区的电子只能进到 $P$ 区一丁点啊？$PN$ 结的厚度以微米计的。刚说过的就忘啦？”

我：“怎么那么绕啊这个弯子！这么说电源正极也无法继续从 $N$ 区得到电子了？”

师：“没错。$N$ 区已经有一些电子跑到 $P$ 区了，电源的正极还想再拿走一些，这也太欺负人了？”

我：“不行也得行！加压！我加！我加！我加加加！”

师：“你加吧，$0.7V$ 肯定是不行的。再高！再高！再高高高！”

我：“那要高到什么程度才行？”

师：“少则几伏，多则几十伏上百伏，个别的需要上千伏的高压。”

我：“这么夸张？我要加够了电压会怎么样呢？”

师：“电压加到足够高后这材料本身就扛不住了，‘共价键’会被摧毁，$PN$ 结只能导通。这时如果电压再高一点点，流过 $PN$ 结的电流就会剧烈增大。比正向接电还要剧烈。我们把这个现像叫 $PN$ 结‘反向击穿’。”

我：“‘击穿’啊？我们以前讨论过空气被击穿，有闪光和噼叭的响声。$PN$ 结击穿也是带声光效果的吗？

师：“据说是有发光的现像，我可是没看见过。发声没有人提起过。”

我从哪里得知 $PN$ 结反向击穿会发光的？不好意思我已经想不起来了。它会发光么？

师：“这事可以用你的风格来总结：‘$P$ 负 $N$ 正，$PN$ 结不通。电压升高的某个值后 $PN$ 结就穿了。’是这样吧？”

我：“$PN$ 结‘反向接电’是不‘导通’的，当反向电压高到某个值后会导致 $PN$ 结 ‘反向击穿’。就是这个意思。”

师：“你小子也够能拽的！你收这个图看看。（figure0063）”

这张图仅做示意，并非来自真实器件实测出的数据。

我：“$Y$ 轴是电流？$$X 轴是电压？”

师：“对。$Y$ 轴原点上方表示电流从 $P$ 区流向 $N$ 区，原点下方表示电流从 $N$ 区流向 $P$ 区。”

我：“这我就知道了。$X$ 轴原点右侧是 ‘正向接电’，$P$ 正 $N$ 负，原点左侧就是反向接电了。”

师：“是的。这个图是 $PN$ 结两端电压和流过 $PN$ 结的电流之间的关系。你看看有什么疑问？”

我：“当然有疑问。正向加电时当电压小于 $0.7V$ 的时候 $PN$ 结应该不导通，这个图上怎么会有电流呢？反向也是，击穿之前就有反向电流啊？”

图中由红色虚线指出。

师：“正向电压达到 $0.7V$ 之后，以及反向电压达到击穿点之后能看明白吧？”

我：“这个明白，电压增大一点电流就急剧增大，所以那条线有点‘直上直下’的模样。我是说正向导通和反向击穿之前，这条线为什么不是和 $X$ 轴重合在一起的？”

师：“所以我首先告诉你，当 $PN$ 结正向导通或反向击穿之后，它两极之间的电压‘基本上’就保持不变了，我们常把这个电压称为‘管压降’。”

我：“什么是‘管’啊？”

师：“一个 $PN$ 结可以做成一个晶体二极管。”

我：“要看图的话电压还是变的，毕竟不是垂直 $X$ 轴的直线。”

师：“是变的，但变化不大。至于这条线为何不与 $X$ 轴重合，这就是 $PN$ 结的局限性所在。如果是个单刀单掷的普通开关，那接通就是彻底地 ‘短路’，断开就是彻底的 ‘断路’。用半导体材料制成的 $PN$ 结没有这么好的性能，它有‘漏电’的情况。”

我：“我越来越不信任电子产品了，漏电！？我这台电脑里那些东东都在漏电是吗？”

师：“不是那种造成人身伤害的漏电，用‘泄漏’这个词好一点。”

师：“所以我们要把半导体材料提纯到 $99.9999999\mathrm{\%}$，其实就算能提纯到 $100\mathrm{\%}$ 也没用。还记得‘少子’这个东西吗？”

我：“‘少子’？就是 $P$ 型半导体中也有少量自由电子，$N$ 型半导体中也有少量空穴。”

师：“对，$PN$ 结反向接电的时候‘少子’就在发挥作用，所以无论如何反向击穿之前都会有微弱的反 向电流流过 $PN$ 结。”

我：“这个得容我琢磨琢磨。想不清楚这些弯弯绕儿。”

师：“你在不理解之中加深理解吧。我可是要走了。”

我：“又要走，好像上网就是为了教我似的。要不我把空姐 MM 介绍给你，你们先聊着？”

师：“我已经有佳人了，再多一个太劳神了。”

我：“您别假清高啦！人家空姐 MM 帅锅一堆，才不鸟你呢。”

师：“那我就放心了。你自己玩吧，有啥问题先 GOOGLE。”

我：“好吧，再见吧。你们俩晚安。”

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  对于 $PN$ 结反向接电时“少子”的作用还是比较好理解的，可以认为“少子”也形成了一个 $PN$ 结，这个 $PN$ 结恰好和“多子”形成的 $PN$ 结是反方向的。这样一来 $PN$ 结反向接电时这个“少子 $PN$ 结”却是正向接电导通，有电流流动那是不可避免。不过这个反向电流应该很微弱，因为是“少子”嘛，数量很少，比正向未导通之前的漏电流要小才对，这张图（figure0063）恐怕不够准。

  打开 GOOGLE 主页，搜索了一下“$PN$ 结”，打开了一个感觉上比较专业的页面看了看，发现这个页面讲的东西和 C# 所说的有些差异，它提到了“带正电的空穴”，这有点难以理解，C# 说 $P$ 型半导体中的电子数与质子数相等，并不带电啊？到底谁说得对呢？

  继续翻看了一些页面，又发现了一些网站对 $PN$ 结的说明和 C# 的类似，看来网上的这些内容并非总是确切的，对我这样的菜鸟而言根本搞不清谁对谁错，站错了队可就惨了。也不知道 C# 这家伙是不是有真材实料，以后跟人家切磋这些东西可得谨慎，万一 C# 教的是错的呢？说出去可是会让人鄙视的。

  又搜索了 “$PN$ 结 耗尽层”，有一些页面说这个耗尽层的宽度与杂质浓度有关系， 还有一些页面说耗尽层宽度与接电方向有关，正向接电耗尽层宽度变窄，窄着窄着就没了，$PN$ 结就导通了，这大概就是那个 $0.7V$ 电压的由来吧？反向接电时耗尽层会变宽，反向电压越高耗尽层就越宽。这不相当于绝缘能力越来越强吗？那又怎么会“击穿”呢？

  GOOGLE 出来的一些页面说这个 $PN$ 结是“半导体二极管”的基础，于是又搜了下“二极管”，排第一个的页面下有两行小字：“二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（$Ge$ 管）和硅二极管（$Si$ 管）。... 按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。...”

  看上去道儿挺深的啊？“点接触”是个什么东东？点开来看了下，这个页面上罗列了诸多类型的二极管，还都有介绍，可就是看不懂。再搜了下“点接触二极管”，第一个页面第一句就给了一个定义：“点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针后，再通过电流法而形成的。”就这一句话咱就看得一脑袋浆糊。又翻了一些页面，好像都在说这同一句话。不过总算找了个图片， 一根金属触丝“扎”在一片“$N$ 型锗片”上，只有一个 $N$ 型锗片吗？$P$ 型的在哪儿啊？继续翻看其它页面，有些页面上说是“钨丝”或“金丝”扎在 $P$ 型硅晶片或 $N$ 型锗晶片上，可这似乎，不是一个 $PN$ 结吧？

本节补充说明

  $PN$ 结正向导通所需的电压与材料有关，由硅制成的 $PN$ 结，正向接电电压达到 $0.7V$ 时就会导通，（也有说是 $0.6V$ 的，这关系不大），由“锗”制成的 $PN$ 结，正向接电电压达到 $0.3V$ 时就会导通。对于图（figure0062）来说，我们直接把可调电源加到 $PN$ 结两极上，因而 $PN$ 结上可以加上任意数值的电压，实际上这图仅用于说明原理，它并不合理。应该说 $PN$ 结导通之后，它两端的电压只会围绕着 $0.7V$（仅以硅为例）有较小的变化，因而我们经常认定一个导通的 $PN$ 结两端（从阳极到阴极）电压就是 $0.7V$ 不变，或者说阳极电压总比阴极高 $0.7V$，这是根据实践需要理想化了的，其实会有小的变化。

  $PN$ 结反向接电与正向差不多，只是反向击穿电压要高很多，而且击穿后的电流曲线比正向电流曲线要 “陡峭”，也就是更显得“直上直下”，这在图（figure0063）中示意的不够充分。

  不难看出图（figure0063）给出的曲线，表达了 $PN$ 结的“伏安特性”，我们在讨论电阻时说过这个词，电阻的“伏安特性”是一根过原点的直线，称其为“线性”，显见 $PN$ 结的“伏安特性”是“非线性”的，这是与电阻的最明显的差别。以后大家在进一步学习的过程中可能会遇到“非线性电阻”这样的元件，这是一种抽像化的说法，你别指望能买到“非线性电阻”这种东西。