PN接面是指將p型半導體與n型半導體結合而成的典型半導體結構。在接面區施加電壓時會產生只允許電流單向通過的整流作用，業界利用這一特性製造出了二極體和電晶體等多種電子元件。以常見的LED為例，它利用的就是pn接面處電子與電洞（Hole）複合時發光的性質。本文將為初學者深入淺出地講解pn接面的工作原理和特性。
p型半導體和n型半導體基礎
在半導體材料中，透過向矽或鍺等元素中添加雜質（摻雜），可以顯著改變其電氣性質。要理解pn接面，需要先掌握p型和n型各自的特點。
p型半導體的特點
p型半導體具有以電洞作為多數載子進行導電的特性。具體而言，就是在矽等四價元素半導體中摻入三價元素（如硼）時，會在價帶中產生電子缺失，這便起到電洞的作用。
- 透過摻入雜質使電洞成為多數載子
在p型材料中，三價元素會呈現“電子不足”的狀態，將共價鍵中的1個空位作為電洞處理。因為電洞表現得像帶有正電荷，所以這種空位便成為電流的載子。 - p型材料的代表性示例及電洞遷移率概述
在矽中摻雜硼的p型半導體，主要依靠電洞進行導電。與電子遷移率相比，電洞遷移率較小，因此同等摻雜濃度的p型半導體的電導率通常略低於n型半導體。
理解這些性質，有助更直觀地理解後續將要涉及的pn接面內部的電洞運動。
n型半導體的特點
n型半導體中，電子作為多數載子發揮作用。典型方法是透過向矽中摻入五價元素（如磷、砷等），增加自由電子的數量，進而提高電導率。
- 透過摻入雜質使電子成為多數載子
由於五價元素多一個價電子，在參與半導體晶體的共價鍵合後，仍會剩1個多餘的電子。由於這個電子可以作為自由電子移動，因此n型半導體具有負電荷載子占多數的性質。
- n型材料典型示例及電子遷移率概述等
在矽中添加磷時，鍵合後剩餘的電子變得可以自由移動。通常情況下，電子的遷移率高於電洞，因此即使在相同的摻雜濃度下，n 型半導體也比 p 型半導體容易獲得更高的電導率。
提高雜質濃度會使得載子濃度增加，電導率通常也會隨之提高。然而當濃度過高時，載子的移動受阻，會導致電導率的改善效果減弱。因此在實際生產製造中，合適的濃度平衡至關重要。
pn接面的形成與空乏層
pn接面是指在單個半導體晶體內，p型區與n型區相互接觸形成的結構。在該接觸介面附近，電子和電洞透過擴散與複合，形成稱為“空乏層”的載子稀少區域，並產生內建電勢。這一特性便是二極體和電晶體等電子元件工作原理的基礎。
pn接面的形成機制
當p型和n型在同一塊晶片上接觸時，在交界面附近多數載子會相互擴散。p型側的電洞會向n型側擴散，n型側的電子則會向p型側擴散，進而在交界面附近發生複合現象。
- p型和n型在同一塊晶片上的接觸（接面）
在實際製造過程中，通常採用在晶圓上施以摻雜製程，進而局部形成p型和n型區域的技術來實現的。利用這種技術，可以在同一塊晶圓基板上製造出p型區域和n型區域緊密鄰接的狀態。
- 在交界面附近發生的載子擴散與複合
在初期階段，p側的電洞與n側的電子會互相交織並向對方區域擴散。但是在移動的載子之間會發生複合，導致邊界附近區域幾乎沒有剩餘的載子，進而形成所謂的“空乏”狀態。
透過這一過程形成的空乏層，決定了pn接面的基本結構。
空乏層與內建電勢
當p型與n型區域接觸形成空乏層時，會使得p側和n側電離後的雜質暴露出來。在p型側，留下了帶負電的受主；而在n型側，則留下了帶正電的施體，在兩者的交界處會產生電場。
- 空乏層（depletion region）的形成
可移動載子稀少的區域被稱為“空乏層”。空乏層中幾乎沒有有效的載子存在，但電離後雜質的固定電荷仍然存在，這成為產生內部電場的根源。 - 內建電勢（約0.6～0.7V）引起的載子移動阻礙
以矽材料為例，在室溫下會產生約0.～0.7V的內建電勢差。在這種內建電勢的作用下，來自p側和n側的載子將無法輕易向對方區域移動。結果便是，除非從外部施加能量（電勢差），否則將處於無法流過大電流的狀態。
內建電勢在pn接面處於無電源狀態時也會自發產生，進而限制電荷的移動。這一特性正是二極體等元件實現單向導電性的基礎。
pn接面二極體的工作原理
向pn接面施加電壓會改變空乏層的厚度和內建電勢的有效值，進而使電流的流動方式也發生顯著變化。在這裡，我們將對二極體的正向偏移和反向偏移進行講解。
正向偏移和反向偏移
從外部將電源連接至pn接面，使p側接正極、n側接負極的狀態，稱為“正向偏移”。這時空乏層變窄，電流相對容易流過。
- 正向偏移時：空乏層變窄，電流易於流過
當向p側施加正電位、向n側施加負電位時，會削弱內建電勢，進而使載子更容易跨越勢壘。當外加電壓超過內建電勢時，將開始流過大電流。
- 反向偏移時：空乏層變寬，電流非常小（僅限於漏電流）
當向p側施加負電位、向n側施加正電位時，內建電勢進一步增強，導致載子更加難以移動。結果是反向電流僅維持在微弱的漏電流程度，其數值之小，在正常工作中幾乎可以忽略不計。
利用這一特性，二極體可用於交流波形整流（AC→DC轉換）或開關工作。
電流特性與Shockley方程式
連接pn接面二極體的電流-電壓特性通常可以透過以下“Shockley方程式”近似表示：
\(I=I_{0}\left(e^{\frac{qV}{kT}}-1\right)\)
其中，
- I是流經二極體的電流
- I0是反向飽和電流（數值非常小）
- q是元電荷（約1.602×10−19 庫侖）
- V是施加在二極體上的電壓
- k是玻爾茲曼常數（約1.38×10−23J/K）
- T是絕對溫度（K）
Shockley方程式推導概述
設p型側中的“少數載子電子”濃度為np(x)，設n型側中的“少數載子電洞”濃度為pn(x)。在穩態、一維、小注入等條件下，p型側的少數載子電子滿足以下擴散方程：
\(D_{n}\frac{d^{2}Δn_{p}\left(x\right)}{dx^{2}}-\frac{Δn_{p}\left(x\right)}{τ_{n}}=0\)
其中，Δnp為p型區中的電子濃度，Dn為電子的擴散係數、Tn為電子從產生到發生複合而消失前的平均時間（壽命）。同理，對於n型側的少數載子電洞，也存在相同形式的公式。
上述二階微分方程的解為如下指數函數形式：
\(Δn_{p}\left(x\right)=Δn_{p}\left(0\right)e^{-x/Ln}\)
其中，Ln是電子的擴散長度，由以下數學公式表示：
\(L_{n}=\sqrt{D_{n}τ_{n}}\)
\(Δp_{n}(x)\)也同樣：
\(Δp_{n}\left(x\right)=Δp_{n}\left(0\right)e^{-x/Lp}\)
施加正向偏壓V時，接面勢壘會變化qV。根據玻爾茲曼統計，p型區中的少數載子電子濃度np(0)為：
\(n_{p}(0)=n_{p0}e^{qV/kT}\)
其中，np(0)為平衡狀態下的少數載子濃度。
也就是說，增量Δnp(0)為：
\(Δn_{p}\left(0\right)=n_{p}\left(0\right)-n_{p0}=n_{p0}\left(e^{qV/kT}-1\right)\)
關於n型區中的少數載子電洞也是如此：
\(Δp_{n}\left(0\right)=p_{n0}\left(e^{qV/kT}-1\right)\)
電子擴散電流由下面的公式給出：
\(I_{n}=qAD_{n}\frac{dn_{p}\left(x\right)}{dx}∣_{x=0}\)
其中，A表示電流流過元件的橫截面積。另外由於這裡我們更關注電流的大小而非其方向，因此在下文中將對電流符號進行適當的整理，並基於想當於絕對值的量進行討論。由於：
np(x) = np0 + Δnp(x)
所以可以得到：
\(\frac{dn_{p}\left(x\right)}{dx}∣_{x=0}=\frac{dΔn_{p}\left(x\right)}{dx}∣_{x=0}=-\frac{Δn_{p}\left(0\right)}{L_{n}}\)
所以，利用其大小可以得到：
\(I_{n}=qAD_{n}\frac{Δn_{p}\left(0\right)}{L_{n}}=qAD_{n}\frac{n_{p0}}{L_{n}}\left(e^{qV/kT}-1\right)\)
同樣地，電洞擴散電流為：
\(I_{p}=qAD_{p}\frac{p_{n0}}{L_{p}}\left(e^{qV/kT}-1\right)\)
總電流I為：
\(I=I_{n}+I_{p}=\left(qA\left(\frac{D_{n}n_{p0}}{L_{n}}+\frac{D_{p}p_{n0}}{L_{p}}\right)\right)\left(e^{qV/kT}-1\right)\)
透過將與電壓無關的部分定義為：
\(I_{0}=qA\left(\frac{D_{n}n_{p0}}{L_{n}}+\frac{D_{p}p_{n0}}{L_{p}}\right)\)
便可以推導出Shockley方程式：
\(I=I_{0}\left(e^{qV/kT}-1\right)\)
溫度依賴性
PN接面二極體的特性會隨溫度的變化而改變。這是因為隨著溫度升高，晶格振動加劇，進而導致載子的複合和碰撞頻率增加。
- 內建電勢的溫度特性
對於矽二極體而言，當溫度升高時，內建電勢通常會呈現略微下降的趨勢。這也歸因為熱能量的增加使得載子更容易發生遷移。 - 反向電流增大和工作特性變化
反向飽和電流I0會隨著溫度升高而增加，因此即使在相同偏移電壓下，反向電流也會略有增大。而要在高溫環境中使用時，需要基於這種漏電流和特性變化進行產品設計。
pn接面二極體的應用示例
利用pn接面的特性，業界已經開發出了具有各種功能的二極體。在這裡我們將對典型的齊納二極體及其他二極體的應用進行簡單介紹。
利用齊納二極體進行電壓控制
齊納二極體是利用了pn接面反向偏壓擊穿現象的元件。基於齊納效應，當反向電壓超過特定電壓值時，電流會開始急遽流動，進而能夠將電壓保持在恒定值。
- 反向偏壓下的齊納擊穿
齊納二極體透過提高pn接面的摻雜濃度等手段，將擊穿電壓設計得較低，進而實現穩定的工作。
- 電源電壓基準與在保護電路中的應用
齊納二極體被用作電壓基準元件並用於過壓保護，在電路設計中發揮著重要作用。
擊穿分為齊納擊穿和雪崩擊穿兩種，根據電壓的高低，起主導作用的機制也會有所不同。但在實際應用中，通常兩者都被視為“齊納二極體”而用於相同的用途中。
其他二極體的應用
利用PN接面的單向導電特性和反向特性，業界製造出了多種多樣的電子元件。
- 整流二極體（AC→DC轉換）
作為將交流電（AC）整流轉換為直流電（DC）的基本配置被廣為使用。其應用形式非常廣泛，包括橋式二極體和半波整流等多種不同的形態。
- LED和雷射二極體等發光元件（※這裡僅作概述）
利用正向偏移時電子與電洞複合並釋放光子的現象。根據材料的不同，所發射光的波長也會發生變化，其應用範圍已從紅光擴展到紫外光區域。
這些豐富多彩的應用實例，無一不是巧妙利用PN接面特性的結果，在電子工程領域中佔據著核心地位。
總接面
透過在同一塊晶片上使p型和n型半導體相接觸，會形成空乏層和內建電勢，進而產生pn接面特有的電氣特性。pn接面的工作機制是透過外部施加的偏移電壓來改變空乏層的厚度和內建電勢，進而實現對大電流是否能大量流過的控制。
這種單向導電的性質稱為“二極體特性”，已被廣泛應用於整流器、保護電路和發光元件等眾多領域。此外透過Shockley方程式等手段定量把握二極體的電流-電壓特性，還能進一步提升電路設計的精度。
齊納二極體的穩壓作用以及各種二極體應用，本質上都是基於pn接面物理現象的應用。學習半導體元件的基礎知識時，對pn接面的深入理解至關重要，這也是進行電子電路設計和分析時不可或缺的知識。