P-N結的理解
Dr. Alistair Sproul
UNSW光伏工程重點研究中心
P-N結是電子時代的基本構造模塊，大多數電子器件是由硅制成，研究硅的電學特性，需要理解P-N結的內部工作特性。
硅
單個硅原子由十四個電子圍繞十四個正電荷的質子和十四個中性中子構成。因為正電荷和負電荷相等，所以硅原子不顯示凈電荷。十四個電子中，僅四個電子有可能形成化學鍵（在原子殼的最外層），留下的10個電子緊緊的束縛在原子核上，不能與其它原子形成化學鍵。
在晶體硅中，每個硅原子同其他四個硅原子成鍵，每個鍵含有兩個電子，每個硅原子提供一個電子從而形成化學鍵，形成化學鍵的電子在原子之間共享，所以稱為共價鍵。
四價電子使硅顯示非常完美的性能：可以形成晶體使四個電子均成鍵，而沒有剩余。（四價電子的碳，通過四個電子形成共價鍵，從而形成金剛石晶體。）硅晶體由原子組成，且不含凈電荷（和質子有相同數量的電子），所以硅晶體沒有凈電荷轉移。
因為其電學特性，硅被稱為半導體。如果硅晶體是純凈的，晶體中的四個外層電子形成共價鍵。在接近絕對零度時，電子束縛在成鍵位子，在此情況下，硅晶體近乎是完美的電子絕緣體。然而，如果有足夠的能量供應給晶體，通過加熱或光照的方式，有可能坡壞這個共價鍵。在硅中，共價鍵的鍵能是1.1eV，當提供足夠的能量或更多的能量給化學鍵使，電子能形成自由原子，并能在晶體中自由移動。
1.1eV的能量與電磁光譜的近紅外區光子相對應，如果光子的能量小于1.1eV，將不能產生足夠的能力作用于晶體硅的化學鍵，光子將穿過晶體而不能撞擊產生任何電子。
磷
單個磷原子同樣不含有凈電荷。磷原子在原素周期表上，是硅原子的下一個原子，含由十五個電子和十五個質子。電子鐘的負電荷與質子中的正電荷正好完全抵消，所以磷原子也沒有凈電荷。
在十五個電子中，僅其中五個電子可以形成化學鍵（原子殼的最外層原子），這五個成鍵電子使磷產生明顯的化學性能。磷原子的一個重要特性，是使其多余的一個電子提供給硅，形成P-N結。
用磷取代
在一個稱為“摻雜”的工藝中，是指用不純的原子進入純凈的硅中，從而改變晶體的電學特性。在晶體中，磷可以取代一些硅原子，這時磷被稱為摻雜原子。摻雜的磷原子與臨近的硅原子形成共價鍵，磷原子的第五個電子，不能形成共價鍵，將會起重要的作用。這個電子同磷原子的作用力很弱，僅0.045eV，如此弱的作用力，在常溫下，電子將有足夠的能力脫離磷原子的束縛，如果脫離磷原子的束縛，電子將在晶體周圍自由運動。
硅晶體的電導率可以通過調節摻雜進入晶體中的原子進行精確調控，在典型的太陽能電池應用中，大約每5，000，000個硅原子中有1個摻雜原子。當像磷，含有超過四個電子的原子摻雜到硅中時，此時稱為n型硅，這是因為來自摻雜原子的不被束縛的電子帶有負電荷。
按照規定，電場方向為在電場區域中正點電荷的移動方向。如果正點電荷放在靠近正電荷區，正電荷將會使正電荷相遠處移動。電場方向是正電荷所指的方向，是負電荷所指靠近的方向。
二極管和晶體管符號的箭頭方向表示電流的流動方向，電流從正極流向負極，與電子流動方向相反。如果電池連接到二極管，電流的正極連接在箭頭的開始方向時（不是箭頭的指向方向），電流將會流動。
電流方向是指正電荷從正極流向負極，而電子從負極流向正極。大多數電子和電氣工程使用傳統電流，除非有特殊說明。這是開始于18世紀，當時科學家并不清楚電子是導線中的電荷載子。他們猜測了電荷載子符號但不幸的是錯了。
電荷
如上所說，當硅被磷摻雜時，磷取代了晶體中的硅原子，并形成了四個共價鍵，這像硅原子自己形成的工價鍵一樣。晶體中的熱能（來自室溫條件下）可以打破第五個電子的弱連接鍵，使其脫離磷原子，電子將會在晶體中自由移動。
然后晶體中被取代的磷原子并不能移動，因為共價鍵作用并被固定在晶體中。固定的磷原子將顯示正電荷，因原子中僅十四個電子，但有十五個質子（弱連縛的第十五個電子將在晶體中漂移）。
在摻雜材料中的電荷總和為零，因為材料中的自由電子與來自晶體中磷原子的正電荷相匹配（晶體沒有凈電荷）。
如果從n型晶體中移除一些自由電子，晶體將因失去負電荷而顯示正電性。（這個概念有點同通過噴在移動的傳輸帶上，產生的Van de Graaff靜電發生器的高壓電極移除電子類似，通過移走電子，在高壓電極將產生正電荷）
如果在n型晶體硅中移除一些可移動的電子，晶體將顯示正電荷。如后面所說，在n型晶體中的自由電子將漂移到p型材料中，使在n型晶體硅中形成局部正電荷區。
硼取代
硼有五個質子和五個電子，同樣也可在晶體硅中取代硅原子。因為硼原子在束縛層中僅有三個電子，所以硼原子同硅原子僅能形成三個共價鍵。這是因為每個原子貢獻一個電子形成共價鍵，在束縛層中沒有第四個電子，所以僅能形成三個共價鍵。
在溫度接近絕對零度時，硼原子及其失去的鍵是穩定的。在室溫時，將有足夠的熱能使電子進入空帶，如果發生的話，提供電子給硼原子的原子將有電子空帶，這個空帶將被晶體中其他原子的電子填充。這樣，空帶或“空穴”將從一個原子移動到另一個原子。這個可以看作負電荷圍繞著填充的空穴移動（產生新的空穴），或者簡單的說，正電荷在材料中移動（如同空穴移動）。
在室溫時，晶體中的硼原子，在原子核中將會比質子數多一個電子。在這樣情況下，硼原子將會帶有負電荷。
當類似硼的原子（比硅少一個成鍵電子）摻雜在硅中時，產生的材料將被稱為p型硅，這是因為摻雜原子在晶體中產生了移動的空穴，每個空穴將帶有一個正電荷。
