文組也好懂的半導體 - (6)把P型與N型半導體接起來會變成甚麼?

很不幸的，每一個學問都有一些比較煩人一點的部分，但寫到第六篇也不好意思避重就輕，今天就來看看一個P型黏一個N型半導體，會發生甚麼樣子的奇蹟。從這篇，我們也進入更物理的世界，一方面更討厭、一方面也開始更好玩!

http://www.tabf.org.tw/FBS/Doc/Preview/95336.pdf

在原本N型半導體自己一個人的時候有很多自由電子，但自己本身是電中性的(就是電子跟質子數量一樣多，所以整體看起來不帶電的意思)，而P型半導體則有很多電洞(好像沒人會說"自由電洞"，畢竟電洞不曾不自由過)

可當這兩個人黏在一起之後出現了變化，我們要知道這世界上有種自然現象叫做擴散，也就是任何一種自由的粒子會從濃度高的環境飄向濃度低的環境。像是今天有人放屁，那臭味粒子就會從放屁人為中心擴散，所以隔壁的人就會聞到，而一段時間之後由於擴散的太遠，每個地方的臭味粒子剩餘太少而沒人會聞到

當P型N型半導體相黏時，一個有很多自由電子、另一個有很多電洞，這兩種自由粒子都會往對方擴散，而當電子跑去P型時自然會跟電洞結合，畢竟就掉進坑裡了就被綁住了。然後這件事一直發生，兩邊的自由電子跟電洞就會都消失....才怪沒這麼誇張，不過的確會有一部分的P型電洞都被填滿，也有一部分N型自由電子都跑光，這的區塊我們稱為空乏區(載子不見，所以很空，就叫空乏)

那為啥米是一部份的區域變成空乏區，而不是整塊都空乏? 因為當電子跑去P型，那本來電中性的P型就會帶負電(不要忘了世界有很多不自由的電子)。反之，電洞跑去N型，N型就帶正電。這就會產生一個電場去排斥電子在跑去P型、電洞跑去N型

上圖就是裡面的帶電量(Q，charge那張)、電場(E、Electric field那張)、電壓(V，Voltage那張)，用英文版的順便學英文啦~

這裡順便複習一下，有電場就會產生電壓的差別

V = E ∙ x​

當然，上面是在電場都均勻的狀態才能不負責任這樣寫，我們要加點微積分來處理不均勻電場，也就是把每個點的電場都積分起來...不過大家最討厭數學，這裡就不提了

總之，因為電場產生的內部電壓差，我們就稱為內建電壓(Vbi, built-in voltage)，也就是這個內建電壓/內建電場阻止了擴散的力量，可以很直覺的說，在穩定的狀態底下: 內建電場推力 = 擴散力

這裡就先不把這現實寫成公式，不過當N或P的電子/電洞濃度一定會影響內建電場的，這就先賣個關子，反正我們只想聽故事搞懂半導體，不是來算數學的:P