p-n结与能带弯曲

将p型和n型半导体连接起来，会使它们的费米能级对齐，导致能带弯曲并产生一个内建电场，从而使电流只能在一个方向上容易流动，这是二极管的本质。

Definition

p-n结是p型和n型半导体之间的界面；在平衡状态下，载流子扩散形成一个电荷耗尽区，该区域具有内建电场，使能带弯曲以保持费米能级恒定，而施加的偏置会打破该电场的平衡，从而产生整流电流。

Scope

本主题涵盖p-n结的物理学：载流子穿过冶金结的扩散、由此产生的耗尽区和内建电势、使费米能级均衡的能带弯曲，以及正向和反向偏置下的整流电流-电压特性。它讨论了肖克利二极管方程、耗尽层宽度和电容以及击穿，为二极管、晶体管和太阳能电池提供了基本构建模块。

Core questions

• 为什么p型和n型材料的连接会产生耗尽区和内建电势？
• 能带弯曲如何使结在平衡状态下保持费米能级恒定？
• 为什么结在正向偏置下容易导通，而在反向偏置下阻断？
• 耗尽层宽度、结电容和击穿电压由什么决定？

Key concepts

• 耗尽区和内建电势
• 能带弯曲和费米能级对齐
• 正向和反向偏置
• 肖克利二极管方程和整流
• 结电容和击穿

Key theories

肖克利二极管理论

肖克利从少数载流子穿过耗尽区的扩散推导出了理想p-n结的指数电流-电压关系，解释了整流现象，并为二极管和双极晶体管提供了定量的基础模型。

Clinical relevance

p-n结是半导体电子学的基本组成部分：整流二极管和信号二极管、发光二极管、光电二极管和太阳能电池都是结，而双极晶体管和场效应晶体管则由它们的组合构成。

History

奥尔（Ohl）于1939年发现了硅p-n结处的整流现象，肖克利（Shockley）于1949年提出的结理论解释了其工作原理，并直接导致了结型晶体管的诞生，这项基础性工作与巴丁（Bardeen）和布拉顿（Brattain）共同获得了1956年诺贝尔奖的认可。

Key figures

• William Shockley
• Russell Ohl
• John Bardeen

Seminal works

• shockley1949
• sze2007

Frequently asked questions

为什么p-n结只在一个方向上导电？

正向偏置降低了内建势垒，使多数载流子大量涌入，电流呈指数级增长；反向偏置提高了势垒，只留下微小的少数载流子电流，因此该结充当电流的单向阀。

什么是能带弯曲？

在结附近，耗尽区的内建电场会使局部能带随位置向上或向下移动；这种弯曲正是使器件在平衡状态下费米能级保持平坦的原因，这是没有净电流所必需的。