PN结形成原理详解：从掺杂到单向导电性

PN结的形成原理是在半导体材料中掺入两种不同类型的杂质。其中，p型半导体掺入的杂质为三价元素，如硼(B)、铝(Al)等，它们在半导体晶格中形成空穴(正电荷)；n型半导体掺入的杂质为五价元素，如磷(P)、锑(Sb)等，它们在半导体晶格中形成自由电子(负电荷)。

当p型半导体和n型半导体接触时，由于p区域与n区域存在浓度梯度，自由电子和空穴会在pn结附近发生扩散运动，直到达到电荷平衡状态。同时，由于n型半导体中自由电子的浓度高于p型半导体中空穴的浓度，自由电子会向p型半导体扩散，而空穴则向n型半导体扩散，这样就形成了一个电势垒。

当外加电压为零时，电势垒的宽度最大，电子和空穴不再扩散；当外加正向电压时，电子向电势垒的p型半导体区域扩散，空穴向n型半导体区域扩散，电势垒减小，电流得以通过；当外加反向电压时，电势垒加宽，阻止电流通过。这样，pn结就具有了单向导电性，成为半导体器件中重要的基础结构。