PN结是怎样形成的？扩散、漂移与内建电场

发布时间：2026-07-26来源：半导体之芯

PN结是二极管、BJT、MOSFET体二极管和太阳能电池等器件的共同基础。这篇只解决一个问题：P型区和N型区相邻后，为什么会自然出现耗尽层与内建电场，而且在没有外加电压时净电流仍为零。

先记住一句话：PN结的内建电场不是外部电源加出来的，而是多数载流子扩散后留下固定离子，由这些空间电荷自己建立起来的。

01｜PN结只是把P型和N型贴在一起吗？

理解PN结前，先看接触前的状态。P型区以空穴为多数载流子，N型区以电子为多数载流子；但两边都同时包含带电的移动载流子和固定在晶格中的电离杂质，因此宏观上各自保持电中性。

当两种掺杂区在同一晶体内相邻，结附近立刻出现浓度梯度：N侧电子多、P侧电子少，P侧空穴多、N侧空穴少。随机热运动叠加浓度差，使电子从N→P扩散，空穴从P→N扩散。实际制造通常通过扩散或离子注入在硅片中形成相邻掺杂区，不需要把两块硅机械拼接。

图1：PN结从接触、扩散到建立内建电场的三个阶段

02｜耗尽层里的电荷从哪里来？

扩散到对侧的电子和空穴会在结附近复合。N侧电子离开后，原本被电子补偿的施主离子显露为固定正电荷；P侧空穴离开后，受主离子显露为固定负电荷。它们被束缚在晶格位置，不能像电子和空穴那样自由穿过晶体。

于是，冶金结两侧形成一段移动电子和空穴浓度很低、却保留固定离子电荷的区域，称为耗尽层或空间电荷区。“耗尽”指可移动载流子被显著耗尽，不是说这一区域没有电荷。

03｜为什么扩散不会一直继续？

N侧的固定正离子与P侧的固定负离子建立电场，方向由正电荷指向负电荷，所以PN结的内建电场方向是N→P。这个电场推动空穴沿N→P运动，同时推动电子逆电场由P→N运动；两种漂移运动都与多数载流子的扩散方向相反。

扩散越多，空间电荷越多，电场和势垒就越强。达到热平衡后，电子的漂移电流抵消电子扩散电流，空穴也满足同样关系，最终总电流为零。净电流为零不等于载流子停止运动，而是相反方向的动态输运恰好平衡。

图2：热平衡PN结中的内建电场、扩散与漂移方向

04｜内建电势由什么决定？

对理想、突变、非简并的同质PN结，热平衡内建电势可写成：V_bi = (kT/q)·ln(N_AN_D/n_i²)。其中k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，q是元电荷量，N_A与N_D分别是受主、施主浓度，n_i是本征载流子浓度。

公式给出的记忆点是：在其他条件相同时，掺杂浓度越高，达到平衡所需的内建势垒通常越大。耗尽层宽度还会更多地伸入掺杂较轻的一侧，因为两侧固定电荷量必须保持相等，即qN_Ax_p = qN_Dx_n。真实器件还会受到渐变结、重掺杂、缺陷和温度等因素影响。

内建电势也不能简单拿万用表直接量到。金属—半导体接触产生的接触电势会参与整个闭合测量回路，热平衡下外部端子并不会持续输出一个可用电压。它真正重要的作用，是决定结区势垒、电场与后续正反向偏置响应。

本篇记忆卡

一句话定义：PN结是P型区与N型区相邻后，由载流子扩散形成耗尽层和内建电场的结区。

核心因果链：浓度差 → 多数载流子扩散与复合 → 固定离子显露 → 耗尽层和内建电场形成 → 漂移抵消扩散。

三个记忆点：

① 内建电场方向始终是 N→P。

② 耗尽层缺少的是可移动载流子，不是没有电荷。

③ 热平衡时载流子仍在运动，只是扩散电流与漂移电流相互抵消。

常见误解：工程中的PN结通常是在同一晶体内通过扩散或离子注入形成相邻掺杂区，不是把两块独立材料简单粘在一起。

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