如下资料来源：

  1. 纳米集成电路制造工艺（第二版）

  2. https://www.cnblogs.com/guanrongda-KaguraSakura/p/13311308.html

首先了解：N型半导体和P型半导体的定义

    单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。

    超纯的单晶硅是本征半导体，基本上不导电。

    准金属：又称半金属或类金属，是一种性质介于金属和非金属之间的元素。包括硼、锗、砷、锑、硒、碲 等，他们在元素周期表中位于金属向非金属过度的位置。

    电导率：用来描述物质中电荷流动难以程度的参数，符号“σ”，标准单位是西门子/米，为电阻率p的倒数，σ=1/p，如果G是电导，I是电流，U是电压，则G=I/U，电导率σ=GI/A，其中G是电导，I是导体长度，A是导体的截面积。电导和电阻的关系G=1/R。

    本征半导体：是指完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体。电子和空穴浓度相等，导电性相对较差。

    在硅晶体中掺入微量的VA族杂质原子（如磷、砷、锑等），形成N型半导体；

    主要载流子：电子（带负电）；

    杂质原子和硅原子形成共价键结构时，外围5个电子：4个共价键，1个不受共价键成为自由电子，所以N型  半导体是电子浓度较高的半导体，导电性主要是因为自由电子导电。

    在硅晶体中掺入微量的ⅢA族杂质原子（如硼、铟等），形成P型半导体；

    主要载流子：空穴（带正电）；

    原因：杂质原子和硅原子形成共价键结构时，外围3个电子：留下一个空缺，即空穴，空穴被其他临近的电子补上，补位的电子原先的位置留下一个新的空穴，空穴的转移视为正电荷的运动。

    N型半导体和P型半导体，掺杂的杂质浓度越高，半导体导电性越好，电阻率越低。

接下来，详述PN结二极管

    在一块完整的硅片上，不同掺杂工艺使一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，两种半导体的交接面附近的区域称为PN结。

    P型区和N型区之间的界面就称为PN结，或简称为结。

    P型半导体和N型半导体结合后，交界处出现了电子和空穴的浓度梯度，会产生扩散；

    P区空穴为多子，电子为少子；N区电子为多子，空穴为少子；

    所以：空穴从P区向N区扩散，留下带负电的电离受主杂质（空穴与N区扩散的电子复合）

          电子从N区向P区扩散，留下带正电的电离施主杂质（电子与P区扩散的空穴复合）

    开路中半导体中的离子不能移动，在P区和N区交界面附近，形成了一个空间电荷区，由于正负电荷的相互作用，并在内形成”内建电场“，方向：N->P。

    解释：N型硅中过量的空穴提供了正电，P型硅中过量的电子提供了负电，PN节两侧形成电压，N型区相对于P型区为高电位；

    N型区一侧是带正电的电离施主杂质，P型区一侧是带负电的电离受主杂质，N型取相对于P型区为高电位；

    所以，两种电压叠加，形成了内建电场。

     扩散作用越强，空间电荷区越宽，势垒越大，势垒是由内部载流子扩散形成，所以称为内电场。

    电场方向与载流子扩散运动相反，阻止载流子进一步扩散。少数载流子在电场存在时发生漂移，N区少数载流子空穴被吸引到电位为负的P型区，P区少数载流子电子被吸引到电位为正的N型区。即，漂移的方向与扩散运动相反，P区漂移N区的电子补充了N区扩散失去的电子，N区漂移P区的空穴补充了P区扩散失去的空穴，这使空间电荷减少，内建电场减弱。

    因此，漂移运动的结果是：空间电荷区变窄，扩散运动加强

    当扩散电流和漂移电流大小相等，方向相反时建立平衡。随着结电压达到平衡，结两侧的过量少子浓度也达到平衡值。P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内建电场方向N区指向P区。在空间电荷区缺少可移动载流子的高阻区，所以也称之为耗尽区或阻挡层。.

    总结：PN结，存在扩散和漂移两种运动，扩散运动会使空间电荷区变宽，内电场加大；内电场又阻止多子扩散，增强少子漂移，使空间电荷区变窄，削弱内电场，内电场削弱，扩散运动增强……  如此反复，最终建立平衡，平衡时PN结电压称为内建电势差，或接触电压。

    耗尽区的厚度取决于结两侧的掺杂水平，轻掺杂为了足够的杂质原子建立内建电场需要较宽的硅层；若重掺杂则很窄的耗尽区就能建立所需电场。若结的一侧远远高于另一侧，耗尽区向轻掺杂的方向延伸的更多。（N型区比P型区掺杂轻很多）

空间电荷区的内建电势差公式

最后了解工作原理

    二极管有两个引线端，与P型区相连的叫阳极，与N型区相连的称为阴极。按照箭头指向单向导电。

    将可调电压源连接二极管

    1. 若电压源置零，二极管处于零偏状态，没有电流流过零偏二极管。

    2. 若阳极连接电源负极，阴极连接电源正极，二极管处于反偏。外场强的方向与内建电场的方向相同，P区的空穴向电源负极移动，N区的电子向电源的正极移动，电子空穴远离耗尽区，耗尽区变宽，阻止扩散，扩散电流接近于零。PN结内只存在漂移电流，漂移电流是由少数载流子形成的，浓度是一定的，不随外加电压的变化而变化，外加反向电压形成的偏移电流称为PN结反向电流，也称为反向饱和电流，此时，PN结呈现一个很大的电阻，截止状态。当PN结的反向偏压较高时，会产生由于碰撞电离引发的电击穿，即雪崩击穿。存在于半导体晶格中的自由载流子在耗尽区电场的作用下被加速，其能量不断增加，直到与半导体晶格发生碰撞，碰撞过程释放的能量可能使价键断开产生新的电子-空穴对。新的电子-空穴对又分别被加速与晶格发生碰撞，若平均每个电子（空穴）在经过耗尽区的过程中可以产生大于1的电子-空穴对，那么该过程不断被加强，最终耗尽区载流子数目激增，PN结发生雪崩击穿。

    3. 若二极管的阳极连接电源正极，阴极连接电源负极，二极管正偏，有很大电流通过。这时外场强的方向与内建电场方向相反，P区的空穴向空间电荷区移动，与空间电荷区的负离子结合，N区的电子也向空间电荷区移动，与空间电荷区正离子复合，所以空间电荷区变窄，扩散运动大于漂移运动，产生较大扩散电流。外加电压越大，正向电流越大，空间电荷区变窄，使PN结电阻率很小，此时PN结处于导通状态。随着正向电压不断增加，最终电流将成指数性增加。