第一节　半导体的基础知识

一、半导体的导电特性

半导体器件是由半导体材料构成的，学习半导体器件，必须首先了解构成这些具有神奇功能半导体器件的半导体材料。

1.半导体及其主要特性

自然界中的物质按其导电能力强弱的不同，可分为三大类：导体、绝缘体和半导体。通常将电阻率小于10-4Ω·cm的物质称为导体，例如金、银、铜、铁等金属都是良好的导体；将电阻率大于1010Ω·cm的物质称为绝缘体，例如橡胶、塑料、玻璃等都很难导电。还有一类物质，其导电能力介于导体和绝缘体之间，称为半导体（电阻率为10-4～1010Ω·cm）。常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）等，大多数半导体器件所用的主要材料就是硅和锗。

导体导电能力最好，常用于构成传导电流的电路；绝缘体几乎不导电，宜用于限制电流流通，防止电流泄漏。半导体传导电流不如导体，限制电流又不如绝缘体，但却得到了广泛的应用，而且半导体技术的发展成为电子技术发展的标志，主要是因为半导体具有一些特殊性能，科学家利用这些特殊性能，制造出了性能优异的半导体器件，从而引发了电子技术的飞跃发展。

（1）热敏特性：半导体对温度很敏感，其电阻率随温度的升高会减小，导电能力将显著增加。例如，半导体锗在温度每升高10℃时，其电阻率减小为原来的一半。虽然这种特性对半导体器件的工作性能、对半导体器件组成的电子电路的性能有许多不利的影响，但利用这种特性可制成各种热敏器件，用于自动控制系统以及温度测量等。由此制成的热敏电阻，可以感知万分之一摄氏度的温度变化，把热敏电阻安装在机器的重要部位，就能控制和测量它们的温度；用热敏电阻制作的恒温调节器，可以把环境温度设定在±5℃的范围内；在农业上，用热敏电阻制成的感测装置能准确地测出植物叶面的温度和土壤的温度；它还能测量辐射，如几百米远人体发出的热辐射或1km外的热源都能方便地测出。

（2）光敏特性：半导体材料对光照很敏感。半导体材料受到光照射时，其电阻率减小，导电能力显著增强。例如，一种硫化铬的半导体材料，在一般灯光照射下，其电阻率是移去光照后的几十分之一或几百分之一。利用半导体的光敏特性，可以制成光电二极管、光电晶体管和光敏电阻等多种光电器件，用于自动控制和光电控制电路中。如应用光电器件可以实现路灯、航标灯的自动控制；可以制成火灾报警装置；可以进行产品自动计数等。

（3）掺杂特性：在纯净的半导体中人为地掺入微量的杂质元素，就会使它的导电能力急剧增强。例如在半导体硅中掺入亿分之一的硼（B），其导电能力可以提高几万倍。人们用控制掺杂浓度的方法，精确地控制半导体的导电能力，制造出了各种不同性能、不同用途的半导体器件，如二极管、三极管、场效应管等。而且在半导体不同的部位掺入不同的杂质，就会呈现不同的性能，再采用一些特殊工艺，将各种半导体器件进行适当的连接就可制成具有某一特定功能的电路——集成电路，甚至是系统，这就是半导体最具魅力之处。

常用的半导体材料在自然界中都是以晶体结构存在的，因此由其构成的半导体二极管、三极管又称晶体二极管和晶体三极管。

2.本征半导体

半导体按其是否掺入杂质来划分，可分为本征半导体和杂质半导体。半导体之所以具有上述特殊特性，是其本身的结构特征决定了其特殊的特性。常用的半导体材料硅和锗都是四价元素，其原子最外层轨道都具有四个电子，称为价电子。每个价电子为相邻原子所共有，从而形成共价键，原子与原子之间通过共价键联系在一起，形成空间有序排列，半导体呈晶体结构。把这种非常纯净且原子排列整齐的半导体称为本征半导体，本征半导体结构如图1-1所示。

在T=0K（热力学温度零度）和没有外界激发时，由于共价键具有很强的结合力，价电子不能挣脱其束缚而成为自由电子，所以半导体因没有自由电子而不能导电，呈现绝缘状态。当温度升高或有外界激发时，价电子会挣脱共价键的束缚而成为自由电子，同时在原共价键中留下一个空位，这个空位称为空穴。本征半导体一旦有了自由电子，其导电能力就增加。在本征半导体中电子和空穴的数目总是相等的，且电子和空穴是成对出现的，所以称为电子-空穴对。把在热或光的作用下，本征半导体中的价电子挣脱共价键的束缚产生电子-空穴对的现象，称为本征激发。

在外电场作用下，自由电子和空穴都做定向移动，因此半导体中有两种载流子（导电粒子），一种是带负电荷的自由电子，一种是相当于带等量正电荷的空穴，它们在外电场作用下都能定向移动形成电流，这是半导体导电与导体导电的本质区别。本征半导体中两种载流子的数量相等，常温下自由电子和空穴两种载流子的数量很少，所以导电性很差。然而，当环境温度升高时，本征激发所带来的两种载流子的数量会显著增多，导电性明显提高，这就是半导体的导电性随温度变化而明显变化的原因。

3.杂质半导体

在本征半导体中掺入微量的其他元素（称杂质），就会使它的导电性发生显著变化，这种掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为P型半导体和N型半导体两大类。

（1）P型半导体。在本征半导体中掺入微量的三价元素（如硼、铟、镓），则可构成P型半导体。因硼原子只有三个价电子，它与相邻的四个原子组成共价键时，因缺少一个价电子而出现空穴。这样P型半导体中的载流子除了本征激发产生的电子-空穴对外，还有因掺杂而产生的大量的空穴，每掺入一个杂质元素就能产生一个空穴，使得半导体中的空穴载流子数量大大提高，导电性显著增强，如图1-2所示。在P型半导体中，空穴的数量远大于自由电子的数量，空穴为多数载流子，简称多子；而电子为少数载流子，简称少子。由于P型半导体以空穴为导电主体，故又称空穴型半导体。

（2）N型半导体。在本征半导体中掺入微量的五价元素（如磷、砷、锑），则可构成N型半导体。因磷原子有五个价电子，它与相邻的四个原子组成共价键时，多出的一个价电子便成为自由电子，每掺入一个杂质元素就能产生一个自由电子，使得半导体中的电子载流子数量大大提高，导电性显著增强，如图1-3所示。掺杂后的N型半导体中，电子和空穴两种载流子的数目不再相等，电子为多数载流子，空穴为少数载流子。由于N型半导体以电子为导电主体，故又称电子型半导体。

在杂质半导体中，多数载流子的数量主要取决于掺杂的多少，因此，可以控制掺杂的浓度来控制其导电能力；而少数载流子的数量主要取决于温度，因此，半导体器件工作的稳定性是受温度影响的。无论哪种杂质半导体，对外均不显电性。

二、PN结

1.PN结的形成

虽然杂质半导体的导电能力大大提高，但单一的P型半导体或N型半导体只能起电阻作用。通过特殊的掺杂工艺，将纯净半导体的一侧做成P型半导体，另一侧做成N型半导体，在其交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结，如图1-4所示。PN结是构成各种半导体器件的基础。

因为P区的多数载流子是空穴，而N区的多数载流子是电子，因此，P区一侧的空穴浓度远大于N区的空穴浓度，而N区一侧的电子浓度远大于P区的电子浓度。这种载流子浓度的差异，产生了多数载流子的扩散运动，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散，如图1-4中箭头所示。扩散运动使交界面靠近P区一侧留下一层负离子，靠近N区一侧留下等量的正离子，于是在交界面两侧形成了正、负离子薄层，称为空间电荷区。

空间电荷区的出现产生了PN结的内电场，其方向由N区指向P区，它阻碍了多数载流子的扩散运动，却有助于两边的少数载流子的漂移运动。在扩散运动开始时，空间电荷区刚形成，内电场还很弱，扩散运动很强，而漂移运动较弱。随着扩散运动的不断进行，空间电荷区逐渐变宽，内电场不断加强，少数载流子的漂移运动随之增强。最后，多数载流子的扩散与少数载流子的漂移相抵消，达到动态平衡，空间电荷区的宽度保持不变。

2.PN结的单向导电性

PN结的P区接外电源的正极，N区接外电源的负极，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置（简称“正偏”），如图1-5（a）所示。这时外加电压产生的外电场与PN结的内电场方向相反，削弱了PN结的内电场，使空间电荷区变窄，有利于多数载流子的扩散运动，形成较大的正向电流。PN结外加正向电压时，呈现很小的电阻，流过的正向电流IF较大，并随外加正向电压的增大而增大，这种情况称PN结正向导通。

PN结的P区接外电源的负极，N区接外电源的正极，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置（简称“反偏”），如图1-5（b）所示。这时外加电压产生的外电场与PN结的内电场方向相同，内电场的作用增强，空间电荷区变宽，阻碍了多子载流子的扩散运动，却有助于少数载流子的漂移运动。由于是少数载流子移动形成的电流，所以反向电流很小。PN结外加反向电压时，呈现很大的电阻，流过的反向电流IR几乎为零，且基本不随外加电压变化而变化，这种情况称PN结反向截止。

PN结正偏时导通，反偏时截止的特性，称为PN结的单向导电特性。