模電：半導體和PN結
半導體（semi-conductor），是指常溫下導電性能介於導體（conductor）與絕緣體（insulator）之間的材料。常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅是在商業應用上最具有影響力的一種。
本徵半導體
純淨不含雜質的半導體，稱爲本徵半導體。
以硅晶體結構爲例：
硅是+4價原子，外部有4個電子。硅晶體內部形成一個網狀結構，每兩個硅原子之間都有2個電子組成共價鍵。
我們知道，水流大小是由水分子的移動形成的，水是水流的載流子；同樣，帶電荷的可移動粒子是電流的載流子。由於受到共價鍵的束縛，原子核（帶正電荷）和電子（帶負電荷）都不可移動的，所以硅的導電性能比較差。
_
硅晶體的共價鍵並不是非常堅固，由於受到溫度、光、磁等能量的激發作用，極少的電子獲得足夠的能量，可以擺脫共價鍵的束縛，帶負電荷的電子便可以移動了，支持了電流的形成。這個電子離開原子後，共價鍵就少了一個電子，留下一個空位置（我們稱爲空穴），該原子同時變成了帶正電荷的離子。因爲這種帶正電荷的離子都有一個空穴，我們不如將空穴視爲帶正電荷的“粒子”（實際上空穴不是粒子，但是原子有空穴，就代表此處有正電荷）。
_
這種由於熱激發產生了一對“自由電子”和“空穴”的過程，稱爲本徵激發。自由電子帶負電荷，空穴帶正電荷。自由電子和空穴都是半導體的載流子。
同理，自由電子和空穴也可以複合。雜質半導體
摻入雜質的半導體稱爲雜質半導體。
由於本徵導電性能差，如果參入+5價或者+3價的原子，可以大大提高其導電性能。
比如，摻入+5價的磷原子後，磷的4個電子和周圍4個硅原子形成共價鍵，還剩有1個電子，由於不受共價鍵束縛可以自由移動，這種雜質半導體稱爲N型半導體。N代表負極性Negetive，由於引入了1個自由電子，所以稱爲N型半導體。
同理，摻入+3價的硼原子後，硼的3個電子和周圍4個硅原子形成共價鍵的話，會出現一個空穴，這種雜質半導體稱爲P型半導體。P代表正極性Positive。
PN結
將P型半導體和N型半導體放在一起後，在它們的接觸面會形成PN結。
PN結最顯著的特點是：電流單向導通。
_
我們都在初中物理中都學過擴散原理。由於濃度不均勻而產生的粒子定向運動，叫做擴散。
當把Ｐ型半導體和Ｎ型半導體結合在一起後，雖然原子受共價鍵作用不能移動，但是空穴和自由電子是可以移動的。於是，在接觸面附近的電子和空穴會向對方區域移動而複合消失。
_
在接觸面附近失去電子和空穴的離子，由於不可移動，便形成了一個內部電場。
這個內電場形成後，反過來又阻止擴散運動。最後會達到一個動態的平衡。中間這個內電場區域，因爲只有離子也叫空間電荷區。內電場形成的電勢阻止了電子和空穴的擴散、複合，在PN之間形成了一道壁壘，所以又稱爲勢壘區。這就是PN結的形成過程。PN結的特點
PN結最顯著的特點是：電流正向導通，反向截止。
_
給PN結外加正向電壓時，我們稱爲正向偏置，簡稱正偏。
正偏狀態下，外加的電場會削弱內電場的壁壘作用，空間電荷區變窄，電子和空穴穿越空間電荷區會容易些。在外電場的持續作用下，便可以形成持續的電流。外電場越大，電流越大。
_
給PN結外加反向電壓時，我們稱爲反向偏置，簡稱反偏。
反偏狀態下，外加的電場會增強內電場的壁壘作用，空間電荷區變寬，電子和空穴更加難以進入空間電荷區，不能形成持續的電流。
PN結形成過程
▼載流子濃度不均
▼擴散運動
▼電子空穴複合
▼形成空間電荷區，內電場
▼內電場阻止擴散運動
▼動態平衡，形成PN結