1.费米能级的一致性

前面几讲中，我们已经了解了半导体的能带结构，在下图中我们给出了n型硅和p型硅的能带结构：

从图中我们可以明显看出两种类型的硅费米能级位置不同，在了解PN结之前，不妨先思考一下n型硅和p型硅接触后，费米能级怎么变化？

揭晓答案，我们曾形象地把费米能级形容成电子海洋的水平面，当高度不同的水平面相遇时，由于重力的作用（在能带中是由于势能差的作用），高的平面会向低的平面注水，反映在能带结构中，就是n型硅中的电子向p型硅中注入，n型硅的费米能级下降，p型硅的费米能级上升，最终保持一致，这叫做费米能级的一致性，是我们分析能带结构的基础。

注：当然是有具体证明的，可以自己尝试一下，不过我们不作要求，只需要知道结论即可。

2.PN结平衡接触

当把n型硅和p型硅接触在一起的时候，n型硅的多数载流子电子向p型硅扩散，留下电离施主形成的正电中心；p型硅的多少载流子空穴也向n型扩散，留下电离受主形成的负电中心，这些电离杂质无法轻易移动，于是就形成了稳定的电场，叫做内建电场。这一电离杂质区域被称为空间电荷区或者耗尽区，再往外部的部分由于不直接接触，所以还保持着p型或者n型硅的特点，叫做准中性区。

细心的同学已经发现了，内建电场向左，故它会推动已经进去p型区的电子向n型区漂移，空穴也是同理。

以电子为例，我们重建这个物理情景：刚接触时，n型区电子浓度远大于p型区，有很高的浓度梯度，扩散很强，而此时内建电场很弱；随着时间推移，越来越多的电子离开n型硅，同时留下越来越多的正电中心，扩散越来越弱，内建电场的漂移作用越来越强，最终，扩散与漂移达成和谐的统一，形成动态平衡，费米能级达成一致，空间电荷区的宽度也稳定下来。

3.正向偏压下的PN结

内建电场会把p区的电子的电势能抬高，p区电势能比n区高出的部分叫作势垒。这是一个很形象的概念，就像人跳上一个台阶一样，电子跨上势垒也存在着能量转化的过程。现在我们将p型区接正极，n型区接负极，p正n负叫做PN结的正偏压状态（偏压大部分落在耗尽区）。

在这一状态下外加电场与内建电场方向相反，势垒降低，空穴与电离负电荷复合，电子与电离正电荷复合，空间电荷区宽度变小；同时，扩散强于漂移，电子和空穴分别穿过耗尽区注入对面，成为过剩的少数载流子，一边向准中性区扩散一边复合（用到了上节讲到的少子扩散长度概念），浓度呈指数衰减，形成PN结最重要的电流机制­­——少子扩散电流。

总结一下：正向偏压下，势垒降低，耗尽区变窄，电流随着偏压增大而指数增大。

4.反向偏压下的PN结

我们将p型区接负极，n型区接正极，p负n正叫做PN结的负偏压状态（偏压大部分落在耗尽区）。

在这一状态下外加电场与内建电场方向相同，势垒增高，空间电荷区进一步电离，宽度变大；同时，扩散弱于漂移，电子和空穴面对着的势垒增高，难以跨越，但是一旦跨越进入耗尽区，就会被强电场加速漂移到另一边形成反向电流。这一反向电流受少子浓度的影响，不随外加电压增大而增大。

总结一下：反向偏压下，势垒升高，耗尽区变宽，反向电流不随偏压增大而增大。

在实际PN结器件中，还存在着产生电流，复合电流，隧穿电流与载流子倍增效应，详见刘恩科半导体物理。

小结：本节我们画出了PN结的能带图，分别定性分析了正向偏压和反向偏压下电流特点，下一节我们更进一步，定量分析PN结的电流并联系具体模电内容。