在电子工程领域，半导体物理与器件是至关重要的基础学科，其中pn结是核心概念之一。这篇Lecture XVII深入探讨了这一主题，旨在帮助我们理解半导体器件的工作原理，特别是二极管、晶体管等基本电子元件的基础。
pn结是半导体材料——P型半导体和N型半导体相互接触形成的界面。P型半导体富含空穴（正电荷载流子），而N型半导体则富含电子（负电荷载流子）。当这两种半导体结合时，由于它们的能带结构不同，电子会从N区流向P区，空穴则相反，形成一个由多数载流子形成的扩散电流。这个过程中，边界附近形成了一个电荷分布，即空间电荷区，也称为耗尽层，它阻止了更多的电子和空穴继续扩散，形成一个内建电场。
pn结的特性主要体现在以下几个方面：
1. **平衡状态**：在没有外部电压作用下，pn结内部的扩散电流与漂移电流达到平衡，形成一个稳定的内建电势差，耗尽层宽度稳定。
2. **反向偏置**：当在pn结上施加反向电压时，内建电场增强，耗尽层变宽，几乎不允许电子和空穴穿越，因此反向电流极小。
3. **正向偏置**：正向电压会减弱内建电场，使得电子和空穴更容易穿过耗尽层，形成较大的正向电流。
4. **整流效应**：pn结的这种单向导电性，即在反向偏置时阻断电流，在正向偏置时允许电流通过，是其最显著的特性，广泛应用于整流器。
5. **雪崩击穿**：当反向电压过大时，电子和空穴在电场作用下加速，碰撞产生新的电子-空穴对，形成雪崩倍增效应，导致反向电流急剧增大。
6. **齐纳击穿**：在高掺杂浓度的pn结中，当反向电压达到一定值，空间电荷区内的电场强度足以使价带电子直接跃迁到导带，形成大的反向电流。
7. **光电效应**：pn结还能作为光敏元件，当光照射在pn结上，光子可激发电子从价带跃迁至导带，形成光生电流。
8. **光伏效应**：太阳能电池就是基于pn结的光伏效应，光照产生的电子-空穴对在内建电场作用下分离，形成电动势。
这些基本概念和现象构成了现代半导体器件设计和应用的基础。例如，二极管、晶体管（如BJT和MOSFET）、光电二极管、太阳能电池等，都是以pn结为工作核心的。理解pn结的物理机制对于电子工程师来说至关重要，无论是设计新型器件还是解决实际问题，都需要扎实的半导体物理知识。
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