硅是四价元素，原子最外层轨道上有四个电子，称为价电子。

当电子挣脱共价键成为自由电子时，共价键中会留下一个空位，即空位。
空穴半导体区分为导体的一个重要特征。

共价键的电荷转移：由于共价键中存在空位，在外部电场或其他能量的作用下，相邻的价格电子可以填补空位，价格电子的原始位置将留下新的空位，其他价格电子可以转移到新的空位。

在本征半导体中，在电场力的作用下，受共价键约束的电子产生移动和电流的根本原因是出现了空穴。也就是说，当共价键出现空穴时，被束缚的电子也可以参与导电。空穴是失去电子后留下的空间。它的运动也可以完全代表被共价键束缚的电子运动，但方向相反。

空穴可视为带正电荷的粒子，其电荷等于电子，电极性相反。在外加电场的作用下，空穴也可以在晶体中自由移动，从而像自由电子一样参与导电。

空穴是一种载流子，只不过这种载流子的运动，是人们在根据共价键中出现空位的移动虚拟出来的，它实际上反映的是共价键中受束缚的电子的移动。空穴越多，半导体中中载流子的数目就越多，因此形成的电流也就越大。

在本征半导体内，自由电子与空穴是成对出现的。在任何时候，自由电子的浓度与空穴的浓度总是相等。

在热能的鼓励下，晶体中的共价键结构将被打破，并以一定的速度产生自由电子和空穴。另一方面，当自由电子与空穴相遇时，自由电子就会落在空穴中，两者同时消失，这种现象被称为自由电子与空穴的结合。事实上，复合现象经常发生在半导体中，一旦出现一定浓度的自由电子和空穴。当载流子的复合率等于产生率时，就会达到动态平衡。

当温度升高时，会产生更多的自由电子和空穴，这意味着载流子浓度增加，晶体的导电性增强。换句话说，随着温度的升高，本征半导体的电导率会增加。

在本征半导体中，载流子是由热刺激产生的。在室温下，这种半导体的导电性与温度密切相关，这在电路工作时不期望看到的。

在本征半导体中渗入微量杂质会显著改变半导体的导电性。根据渗入杂质的性质，可分为空穴§型半导体和电子(N)型半导体两大类。

在硅晶体中渗入少量的三价元素杂质，如硼，因为硼原子只有三个价格的电子，它与周围的硅原子形成共价键，由于缺乏电子，在晶体中产生空间，当相邻共价键上的电子热振动或在其他刺激条件下获得能量时，可以填补空间，使硼原子成为不可移动的负离子，由于缺乏自由电子，原硅原子的共价键形成了空穴，但整个半导体仍呈电中性。因为硼原子在晶体当中能接受电子，故称硼为受主杂质或P型杂质。硼被称为受主杂质或P型杂质，因为硼原子可以在晶体中接受电子。 此外，还有锆和铝。通过控制杂质渗入量，可以轻松控制空穴数量。

在添加受主杂质产生空穴的同时，不产生自由电子，但由于常温下导体中本征刺激的存在，仍会产生一定数量的自由电子空穴。然而，与掺杂引起的空穴数量相比，本征刺激的自由电子数量远小于空穴数量。也就是说，在这种P型半导体中，空穴是多载流子(简称多字)，自由电子是少载流子(简称少子)，空穴是导电的主体。

空穴的浓度 = 受主原子的浓度 少子电子浓度
一般掺杂浓度远大于本征激发载流子的浓度。

为了在半导体中产生更多的自由电子，一种五价元素杂质（主要杂质或N型杂质）可以与硅晶体混合。当这种杂质原子与半导体中周围的硅原子形成共价键时，会有额外的价格电子。

典型的施主原子包括五价原子磷、砷和锑。当施主原子磷加入硅半导体时，多余的电子很容易受到热量的刺激，并成为自由电子。自由电子参与传导电流。移动后，在施主原子的位置留下固定的正离子，但半导体仍为电中性。

因为施主原子的半导体会有多余的自由电子，所以被称为电子半导体或N型半导体。

在N型半导体中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

施主原子的浓度 = 自由电子浓度 少子空穴浓度

半导体与杂质混合后，载流子的数量有了相当大的增加。如果每个受主都能产生一个空穴位或每个施主都能产生一个自由电子，那么杂质的含量虽然很小，但对半导体的导电性影响很大。因此，在半导体中混合杂质是提高半导体导电性的最有效方法。

本征刺激杂质半导体产生的载流子数量远小于掺杂产生的载流子数量，其导电性主要取决于掺杂程度。

由于热能的刺激，半导体内的载流子将随机无定向移动，载流子在任何方向的平均速度为零。如果在晶体上添加电场，内部载流子将在电场力的作用下定向移动。对于空穴来说，移动方向与电场相同，而自由电子的移动方向与电场相反。载流子因电场作用而运动称为漂移。

硅材料中的电子运动速度约为空穴运动速度的3倍，迁移率反映了载流子的运动能力，因为空穴代表受共价键约束的电子移动，所以在相同条件下比自由电子移动速度慢。

各种三段端器件(包括半导体三极管、场效应管等)的导电机制，主要由空穴或自由电子导电组成。
在数字电路或高频模拟电路中，电子导电器件优于空穴导电器件。

在半导体中，其空穴或电子浓度高于正常值，优于制造工艺和运行机制。载流子的浓度差和随机热运动，载流子从高浓度区域扩散到低浓度区域，从而形成扩散电流。

将三价和五价杂质元素混合在半导体的两个不同区域，形成P型区和N型区。这样，自由电子和空穴的浓度差就出现在它们的交界处，N自由电子在型区的浓度很高，P型区空穴浓度很高。电子和空穴应从高浓度区域扩散到低浓度区域。也就是说，一些自由电子应该从N区扩散到P区，一些空穴应该从P区扩散到N区。扩散的结果破坏了P区与N区交界处原有的电中性。

P区域一侧失去空穴，留下带负电的杂质离子；N区域一侧失去电子，留下带正电的杂质离子，

虽然半导体离子都是带电的，但是因为物质结构它们不能随意移动，所以它们不能移动不参与导电。

这些不能移动的带电离子集中在P区和N区交界面附近，形成一个非常薄的空间电荷区，这就是所谓的PN结。

在这个地区，大多数载流子已经扩散到另一边并复合，或消耗，所以空间电荷层有时被称为耗尽层。

由于该很高，因为该区域的载流子浓度很低。扩散越强，空间电荷区越宽。

空间电荷发生后，由于正负离子之间的相互作用，在空间电荷区形成了一个电场，其方向是从正点N区到负电P区。因为电场不是由外部电压形成的，而是由PN结内形成，故称内电场，功能是阻止载流子的扩散运动。

扩散运动与漂移相互关联，扩散扩大空间电荷区域，增强电场，增加大多数载流子扩散的阻力，但增强少数载流子的漂移；漂移缩小空间电荷区域，减弱电场，容易扩散。当漂移等于扩散运动时，空间电荷区域处于动态平衡之间。
PN结的基本特征------单向导电性，只有在外加电压显示时间。

外加正电压(正极接P区，负极接N区)
在这个外加电场的作用下，PN结的平衡会被打破，P区域空穴进入PN结束后，将部分负离子中和，以减少P区的空间电荷。同样，当N区电子进入时PN结束后，中和了一些正离子，减少了N区的空间电荷，从而导致PN结变窄，即耗尽层厚度变薄，器电阻变小。再加上半导体本身的电阻和PN与电阻相比，结上的电阻很小，所以大部分外加电压都落在下面PN结上。PN结的宽度变小，内电场变小，有利于载流子的扩散运动，形成扩散电流。因此，PN结电流由扩散电流决定。
当外部电压增加时，电场进一步减弱，扩散电流增加。这样，正向PN结表现为非常小的电阻，此时也称为PN结导通。

外加电压形成的外电场方向与PN结内电场方向相同，因此漂移运动增强，PN结的宽度增大，阻碍了多数载流子的扩散运动，因此扩散电流趋近于零，因此PN结的电流由漂移电流所决定。漂移电流的方向与扩散电流的方向相反，表现在外电路上有一个流入N区的反向电流，它是由少数载流子的漂移运动形成的。由于电流很微弱的，一般硅管为微安数量级。又由于少量载流子是由本征激发产生的，当管子制成后，少量载流子的浓度取决于温度，换言之，少量载流子的数量是一定的，它几乎与外加电压无关。
PN结在反向偏置时，呈现出一个阻值很大的电阻，此时可认为它基本上是不导电的，称为PN结截止。

总结为：PN结加正向电压时，电阻值很小，基本上可看成导线，PN结导通；加反向电压时，电阻值很大，可看成断路，PN结截止，这就是PN结的单向导电性。

PN结具有单向导电性的关键是耗尽层的存在以及耗尽层宽度随外加电压不同而变化的特性。
当温度一定时，反向饱和电流是个常数，不会随着温度的变化而变化。

如果加到PN结两端的反向电压增大到一定数值时，反向电流就会增加，这个现象就称为PN结的反向击穿。发生击穿所需的反向电压称为反向击穿电压。PN结电击穿后电流很大，容易使PN结发热。这时PN结的电流和温度进一步升高，从而容易烧毁PN结。反向击穿电仪与PN结的制造系数有关。

产生PN结击穿的原因是，当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随之增强，产生漂移运动的少数载流子通过空间电荷区时，在很强的电场作用下获得足够的动能，与晶体原子发生碰撞，从而打破共价键的束缚，形成更多的自由电子-空穴对，这种现象就称为碰撞电离。新产生的电子与空穴与原有的电子和空穴一样，在强电场的作用下获得足够的能量，继续碰撞电离，再产生电子-空穴对，这就是载流子的倍增效应。

当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像在陡峭的积雪山坡上发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增大，于是PN结被击穿。**

在较高的反向电压下，PN结的空间电荷区存在一个很强的电场，它能够破坏共价键的束缚，将电子分离出来产生电子-空穴对，在电场的作用下，电子移向N区，空穴流向P区，从而形成较大的反向电电流。齐纳击穿所需的电场强度约为2*10的5次方 V/m，这只有在杂质浓度特别高的PN结中才能达到。
因为杂质浓度很大，空间电荷区达的电荷密度也大，因而空间电荷区很窄，电场强度就有可能很高。

当PN结处于正向偏置时，P区的空穴将向N区扩散，其结果导致到达N区的空穴在靠近结边缘的浓度高于距结稍远处的浓度。这种超量的空穴浓度可视为电荷存储到PN结的邻域。存储电荷量的大小，取决于PN结上所加的正向电压的值的大小。离结越远，空穴的浓度越低，这是因为空穴在N区域多数载流子----自由电子产生复合所致。N区的电子向P区扩散的情况与此类似。

若外加正向电压有一增量V，则相应的空穴扩散运动在结的附近产生一电荷增量Q，二者之比就是扩散电容。

PN结在正向偏置时，累积在P去的电子和N区的空穴随正向电压的增加而很快增加，扩散电容较大。反向偏置时，因为载流子数目很少，所以扩散电容数值很小，一般可忽略。