A4 · 半导体基础
pn 结：自筑势垒的边界
把 n 型和 p 型接在一起会发生什么？这一单元逐步追踪：多数载流子越过边界，留下的固定离子筑起势垒，自己让扩散停下来。
结走向平衡的过程
左边是 p 型，蓝色空心圆是空穴；右边是 n 型，金色圆点是电子。逐步推进，中央边界处会出现载流子被抽空的一条带，带中显出固定离子的符号，并出现内建电场的箭头。逐步推进，确认净电流何时停止。
用按钮推进阶段。
平衡条件与势垒
Jdiff >> Jdrift
浓度差非常大。空穴想越到右边，电子想越到左边，此时还没有阻挡它们的势垒。
净扩散很大
贴合的瞬间，扩散开始
n 侧电子极多，p 侧空穴极多。边界两侧的浓度差太大，所以接在一起的瞬间，电子涌向 p 侧，空穴涌向 n 侧。这正是 A3 中看到的扩散。
离去之处显露固定离子
载流子越过去了，提供它们的掺杂原子却嵌在晶格里动不了。正如 A2 中看到的，交出电子的 n 侧施主留下成为正离子，接受电子而产生空穴的 p 侧受主留下成为负离子。于是边界附近成了载流子被清空、只剩固定电荷的耗尽层，两侧固定电荷之间建立起从 n 侧指向 p 侧的内建电场。
观察Jdrift = Jdiff (Jnet = 0)
平衡时漂移与扩散恰好抵消。
选择Vbi = (kTq) ln(?)
内建电位正比于两侧掺杂之积除以 ni 平方的对数。
填空NA xp = ?
耗尽层两侧的固定电荷总量相等。
独立完成Vbi = (kTq) ln(?)
掺杂越重，势垒越高。
势垒止住扩散，平衡
内建电场把想要越过的载流子推回去。这种漂移朝与扩散相反的方向增长，当两者大小相等时，净电流变为 0，这正是 A3 中预告的抵消。这时耗尽层的宽度和内建电势势垒 Vbi 不再增加，它们的大小由两侧的掺杂浓度决定。自己筑起势垒、让扩散停下来的这个边界，就是二极管的核心。
回到第一屏
刚接触时净扩散非常大。越过去的载流子越多，显露的固定离子就越多，内建电场也越强，这个势垒通过漂移把扩散推了回去。两者大小相等时净电流为 0，耗尽层和势垒也停止增长。外面什么都没做，边界却自己筑起势垒，达到了平衡。A2 的固定掺杂离子与 A3 的漂移扩散抵消在一处相遇，构成了二极管的核心。
在 pn 结中，多数载流子靠扩散越过边界，离开的地方显露出固定掺杂离子(n 侧为正，p 侧为负)。这些固定电荷建立起没有载流子的耗尽层和内建电势势垒 Vbi。势垒产生的漂移恰好抵消扩散时，净电流为 0，处于平衡，此时 Vbi = (kT/q) ln(NA ND / ni²)。
接下来的脉络
现在你手里有了势垒。下一组 B 要给这个势垒加上外部电压。正向时势垒降低，载流子大量涌过；反向时势垒升高，电流被挡住。只朝一个方向流动的这种不对称，就是二极管的 I-V 曲线和整流作用。