半导体是一类电导率可以被人为调控的材料。在硅中，施主杂质会形成以电子为多数载流子的N型材料，受主杂质会形成以空穴为多数载流子的P型材料，而把两者结合起来就会形成PN结。PN结在正向偏置时比在反向偏置时更容易导电。
这一个概念就能解释很多基础电子学现象。二极管、LED、太阳能电池以及许多晶体管结构，都依赖于载流子在掺杂半导体区域中的运动方式。
什么是半导体
在简单的能带图像中，半导体具有一个已填满的价带、一个大多为空的导带，以及一个足够小的带隙，因此在常见器件工作条件下，载流子的行为可以被改变。室温下的纯硅中确实有一些可移动载流子，但远少于金属。
所以关键问题不只是“它导不导电”。更有用的问题是：“什么会改变电荷载流子的数量和运动？”在半导体中，答案通常是掺杂、电场、温度或光照。
P型与N型半导体
纯净的半导体材料通常称为本征半导体。当你有意加入少量杂质原子时，就得到了杂质半导体。
在硅中，像磷这样的施主杂质可以额外提供一个束缚较弱的电子。这就形成了N型材料，其中电子是多数载流子。
像硼这样的受主杂质，在简单的成键图像中会使晶体少一个成键电子。这就形成了P型材料，其中空穴是多数载流子。
空穴不是质子，也不是一种独立的基本粒子。它只是用来追踪一组几乎被填满的状态中“缺失电子”运动的方便模型。在很多问题中，把空穴视为带正电的可移动载流子，会让物理图像更容易理解。
掺杂如何改变电导率
掺杂会改变哪一类载流子更容易运动。在N型材料中，可用于导电的电子比本征硅中多得多。在P型材料中，空穴运动成为主要贡献。
但整个晶体在总体上仍然是电中性的。这一点很重要。P型并不意味着整个固体带净正电，N型也不意味着整个固体带净负电。
PN结如何形成
当P型区和N型区连接在一起时，载流子不会始终完全分开。结附近的电子会从N区向P区扩散，而空穴会从P区向N区扩散。
在边界附近，许多这样的载流子会发生复合。这样一来，就留下了固定的离化杂质：N区边缘带正电的施主离子，以及P区边缘带负电的受主离子。
这个区域称为耗尽区，因为其中大多数可移动载流子被“耗尽”了，并不是物质消失了。暴露出来的电荷会产生内部电场和内建势垒，从而阻碍进一步扩散。
这个自发形成的势垒正是二极管行为的关键。任何关于正向偏置或反向偏置的解释，都必须追踪这个势垒发生了什么变化。
例题：硅二极管中的正向偏置与反向偏置
考虑一个简单的硅二极管，它由一个P型区和一个N型区组成。
情况1：没有外接电池
一旦结形成，扩散和复合就会产生耗尽区。内建电场会阻碍进一步的载流子扩散，因此结最终达到平衡状态。
情况2：正向偏置
现在把P区接到电池正极，把N区接到电池负极。这就是正向偏置。
在这种条件下，外加电场会降低结两端的有效势垒。耗尽区变窄，多数载流子就更容易跨越结区。于是电流会显著增大。
情况3：反向偏置
把电池反过来连接，使P区接负极、N区接正极。这就是反向偏置。
这时外加电场会提高势垒并加宽耗尽区。多数载流子被拉离结区，因此通常导电很弱。真实的结仍然会有一定的反向漏电，而很高的反向电压还可能导致击穿，所以“完全没有电流”并不是正确图像。
这就是用一个例子说明二极管核心原理。结并不是一个机械式的单向阀门。它是一个由载流子和电场共同决定的系统，其势垒会随着外加偏置而变化。
半导体题目中的常见错误
- 认为P型材料整体带正电。实际上它在总体上仍然是电中性的。
- 把空穴当成像质子那样真实存在的带正电粒子。它只是描述缺失电子行为的一种模型。
- 认为耗尽区是“空的空间”。实际上它主要是一个可移动载流子很少、固定离化杂质很多的区域。
- 以为反向偏置就意味着电流严格为零。真实器件通常会有少量漏电，而足够高的反向电压会彻底改变其行为。
- 只死记“正向好导通，反向不好导通”，却不去分析势垒和载流子运动发生了什么。
PN结和半导体的应用
凡是器件需要可控的电学行为，而不是简单的金属导电，都会出现半导体。PN结是整流二极管、LED、光电二极管、太阳能电池以及大量晶体管设计的基础。
一旦你理解了P型、N型和耗尽区，很多电子学概念就不会再那么神秘。晶体管也不再只是一个电路符号，而会变成一种通过塑造半导体区域和电场来控制载流子流动的结构。
试试类似情况
你可以用LED或太阳能电池自己做一个类似分析。按同样顺序提问：多数载流子在哪里，结处存在什么电场，以及施加正向偏置、反向偏置或光照时会发生什么变化。