1.1　半导体基础知识

1.1.1　本征半导体

1.常用的半导体材料

物体按其导电性能可分为三类：导体、绝缘体和半导体。导电能力介于导体和绝缘体之间的一些物体叫半导体，常用的半导体材料有硅、锗、硫化镉等。物体的导电性是由物体内可自由移动的带电粒子多少来决定的，这种能在物体内自由移动的带电粒子称为载流子。物体内部载流子的浓度越大，物体的导电能力越强。例如，金、银、铜、铝等金属导体，其内部含有大量带负电荷的载流子——自由电子，所以它们具有良好的导电性能；而橡胶、塑料、云母、陶瓷等的物体，其内部几乎没有载流子，所以它们没有导电性能。

半导体的电阻率约为导体的1000亿倍。半导体得到广泛应用并不在于它的电阻率的大小，而在于其电阻率的特性。经研究，半导体电阻率具有如下特性：

①热敏特性：半导体的电阻率随温度上升迅速下降，呈负温度系数的特性。利用其特性可以制成热敏电阻。

②光敏特性：半导体的电阻率随光照的不同而改变，光照越强，电阻率下降越多。利用这个特性，可把它制成光敏元件。

③掺杂特性：半导体电阻率与所含微量杂质元素的浓度有很大关系。利用此特性，通过不同的工艺手段，可制成各种类型的半导体器件。

半导体一般分为本征半导体和杂质半导体。

2.本征半导体

纯度很高、晶格结构完整的半导体称为本征半导体。例如，半导体材料硅和锗的最外层均有4个价电子，而原子最外层电子数目为8个时为稳定结构。但在它们制成单晶后，最外层的4个价电子不仅受到自身原子核束缚，而且被与它们相邻的4个原子核相吸引，2个相邻原子之间共有1对价电子，构成稳定结构，这种结构称为共价键结构，如图1.1所示。

本征半导体在温度为绝对零度（-273℃）时，共价键上的价电子不能挣脱原子核的束缚，内部没有载流子，此时本征半导体就相当于绝缘体。但是，在常温下由于热能的作用，使一些价电子可以获得足够能量挣脱原子核的束缚成为自由电子。这样，在原来的共价键位置上就留下一空位，这个空位称为空穴。由此可见，在本征半导体中自由电子和空穴是成对产生的，称为电子-空穴对。产生电子-空穴对的过程称为热激发，如图1.2所示。自由电子在不断地做无规则热运动时也会充填某些空穴，使电子-空穴对消失，这种过程称为复合。在一定温度下，电子-空穴对的产生与复合达到动态平衡，半导体中的载流子数目维持稳定。显然，环境温度越高，热激发越强烈，内部载流子数目越多。因此，温度对半导体的导电性能有影响，这是半导体器件工作不稳定的一个重要因素。

在半导体中有两种载流子——自由电子和空穴。然而，电子-空穴对的热运动是杂乱无章的，整块半导体对外呈电中性。只有在外电场的作用下，电子和空穴的运动才有方向性。

1.1.2　杂质半导体

在常温下，本征半导体中的载流子数目与金属导体相比仍然很少，所以本征半导体的导电能力很弱，实际使用价值不大，但如果在本征半导体中掺入微量有用的某种杂质元素，就会使其导电能力大大提高。根据掺入杂质的不同，可产生N型半导体和P型半导体。

1.N型半导体

在本征半导体（以硅为例）中掺入微量的5价元素，如磷（P）、砷（As）等，如图1.3所示。这时磷原子自然就要取代某些硅原子与相邻的硅原子的最外层价电子组成共价键结构，由于磷原子最外层有5个价电子，所以有一个磷原子就多余一个价电子，这些多余的价电子不受共价键的束缚，在常温下很容易受激发成为自由电子。掺入的磷元素越多，则自由电子数目就越多。另外，这种掺杂半导体在常温下还会热激发，会产生电子-空穴对，但它们的数目比磷原子提供的自由电子数目少得多。那么，就整块半导体而言，自由电子数目较多，是多数载流子；空穴的数目较少，是少数载流子，因此，这种半导体主要靠自由电子导电，所以称为电子型半导体，由于电子呈负的（Negative）电性，故也称N型半导体。

2.P型半导体

在本征半导体（以硅为例）中掺入微量的3价元素，如硼（B），如图1.4所示，那么，由于硼原子最外层只有3个价电子，当硼原子与相邻4个硅原子组成共价键时，在一个共价键上就少一个电子，形成一个空穴。这样，每多掺入一个硼原子就会多出现一个空穴，使这种掺杂半导体内产生大量空穴。另外，在常温下还有热激发会产生电子-空穴对，但它们的数量比硼原子提供的数目少得多。因此，就整块半导体而言，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子，因此，这种半导体主要靠空穴导电，所以称为空穴型半导体，因为空穴呈正的（Positive）电性，故也称P型半导体。

通过以上的阐述可知：不论N型半导体还是P型半导体都是电中性的，对外不显电性。

另外，N型半导体和P型半导体还可以互相转化。一块N型半导体放入浓度很大的3价元素，在一定的条件下，这3价元素不仅复合了绝大多数自由电子，而且还剩余了空穴。这样，原来的N型半导体便改变为P型半导体了。这种特性被广泛应用于半导体器件（特别是集成电路）的生产中。

1.1.3　PN结的形成与特性

1.PN结的形成

当P型半导体和N型半导体接触后，由于交界面两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散，如图1.5（a）所示。由于扩散运动，在P区和N区的接触面就产生正、负离子层。通常称这个正、负离子层为PN结。

N区失去电子产生正离子，P区得到电子产生负离子。正负离子层之间产生了内电场，内电场的方向从N区指向P区。随着扩散运动的进行，内电场不断加强，它既阻碍N区的自由电子向P区扩散，同样也阻碍了P区的空穴向N区扩散。另外，除了上述的扩散运动外，N区的少数载流子要借助于内电场的作用顺利地向P区漂移；P区的自由电子也向N区漂移，形成少数载流子的漂移运动。漂移运动的方向与扩散运动的方向相反，当扩散运动的载流子数等于漂移运动的载流子数时，达到了动态平衡，交界面两侧就维持了一定厚度的空间电荷区，如图1.5（b）所示。

2.PN结的单向导电特性

（1）PN结的正向导通特性

如果给PN结加正向电压，即P区接正电源，N区接负电源，此时称PN结为正向偏置，如图1.6（a）所示。这时PN结外电场与内电场方向相反，外电场抵消内电场使空间电荷区变薄，有利于多数载流子运动，形成正向电流IF，外电场越强，正向电流越大，这意味着PN结的正向电阻变小。

（2）PN结的反向截止特性

如果给PN结加反向电压，即N区接正电源，P区接负电源，此时称PN结为反向偏置，如图1.6（b）所示。这时PN结外电场与内电场方向相同，使内电场的作用增强，PN结变厚，多数载流子扩散运动几乎不可能，但少数载流子的漂移运动却得以加强，形成漏电流IR，由于少数载流子的数目很少，所以只有很小的电流通过，接近于零，即PN结的反向电阻很大。

综上所述，PN结具有单向导电性，加上正向电压时电阻很小，电流较大，是多数载流子的扩散运动形成的；加上反向电压时PN结电阻很大，电流很小，是少数载流子的漂移运动形成的。