1.1　半導(dǎo)體的特性

在物理學(xué)中已知，自然界的各種物質(zhì)，根據(jù)其導(dǎo)電能力的差別，可分為導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體三大類。物質(zhì)的導(dǎo)電性能決定于原子結(jié)構(gòu)的最外層電子，導(dǎo)體一般為低價(jià)元素，它們的最外層電子極容易掙脫原子核的束縛而成為自由電子，并在外電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流；高價(jià)元素（如惰性氣體）或高分子物質(zhì)（如橡膠），它們的最外層電子所受的原子核束縛力很強(qiáng)，很難成為自由電子，所以這些物質(zhì)的導(dǎo)電性能很差，是絕緣體。而半導(dǎo)體一般為四價(jià)元素的物質(zhì)，例如硅、鍺。硅和鍺的原子序數(shù)分別為14和32。但它們有一個(gè)共同點(diǎn)，即原子最外層的軌道上均有4個(gè)價(jià)電子，所以稱它們?yōu)樗膬r(jià)元素。硅（鍺）的原子在空間排列成規(guī)則的晶格，結(jié)構(gòu)為晶體結(jié)構(gòu)。它們最外層的價(jià)電子之間以共價(jià)鍵的形式結(jié)合起來，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.1所示。

半導(dǎo)體其導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而且其導(dǎo)電能力在外界其他因素的作用下會(huì)發(fā)生顯著的變化。例如，半導(dǎo)體中加入雜質(zhì)（稱為“摻雜”）后其導(dǎo)電能力（電導(dǎo)率）發(fā)生明顯的變化，各種不同器件的制作，正是利用了摻雜來改變和控制半導(dǎo)體的電導(dǎo)率；溫度的變化也會(huì)使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，利用這種熱敏效應(yīng)，可以制作出熱敏元件，但熱敏效應(yīng)也會(huì)使半導(dǎo)體器件的熱穩(wěn)定性下降；光照也可以改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，利用這種光電效應(yīng)，可以制作出光電二極管、光電三極管、光電耦合器和光電電池等。

歸納

半導(dǎo)體具有摻雜性、熱敏性和光敏性3個(gè)特性。

1.1.1　本征半導(dǎo)體

純凈的、不含其他雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體在熱力學(xué)溫度T=0K（相當(dāng)于-273℃）時(shí)不導(dǎo)電，如同絕緣體一樣。本征半導(dǎo)體在環(huán)境溫度升高或光照的作用下，將有少數(shù)價(jià)電子獲得足夠的能量，以克服共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子。在沒有外加電場(chǎng)時(shí)自由電子做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。價(jià)電子離開共價(jià)鍵后，在該共價(jià)鍵處留下一個(gè)空位，這種帶正電荷的空位稱為“空穴”。在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，即自由電子與空穴數(shù)目相等，如圖1.2所示。相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子可以在獲得能量后移至有空穴的共價(jià)鍵，并在原來的位置上產(chǎn)生一個(gè)新的空穴。這種新的空穴可以在外加電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)，價(jià)電子運(yùn)動(dòng)填補(bǔ)一個(gè)空穴后，在原來所處位置上產(chǎn)生一個(gè)新的空穴，空穴運(yùn)動(dòng)的方向與價(jià)電子運(yùn)動(dòng)的方向相反。在沒有外加電場(chǎng)時(shí)，如同自由電子一樣，空穴在晶體中也做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，對(duì)外部不顯現(xiàn)電流。

當(dāng)有外加電場(chǎng)時(shí)，自由電子和空穴都在電場(chǎng)的作用下做定向運(yùn)動(dòng)：自由電子帶負(fù)電逆電場(chǎng)方向而運(yùn)動(dòng)，而空穴帶正電表現(xiàn)為順電場(chǎng)方向而運(yùn)動(dòng)。這種定向運(yùn)動(dòng)疊加在原來的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)上，對(duì)外部顯現(xiàn)電流。自由電子和空穴都是載運(yùn)電流的粒子，統(tǒng)稱為載流子。將自由電子移動(dòng)形成的導(dǎo)電現(xiàn)象簡(jiǎn)稱為電子導(dǎo)電，而將空穴移動(dòng)形成的導(dǎo)電現(xiàn)象簡(jiǎn)稱為空穴導(dǎo)電。

不難看出，在本征半導(dǎo)體中自由電子與空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的，成為電子-空穴對(duì)。本征半導(dǎo)體具有一定的導(dǎo)電能力，但因其自由電子的數(shù)量很少，所以導(dǎo)電能力很弱。產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的物理現(xiàn)象稱為激發(fā)，激發(fā)數(shù)目的多少與溫度有關(guān)。在實(shí)際的半導(dǎo)體中，除了產(chǎn)生電子-空穴對(duì)以外，還存在一個(gè)逆過程。這就是自由電子也會(huì)釋放能量而進(jìn)入有空穴的共價(jià)鍵，同時(shí)消失一個(gè)自由電子和空穴，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。當(dāng)溫度一定時(shí)，激發(fā)與復(fù)合的數(shù)量相等，維持動(dòng)態(tài)平衡。

1.1.2　雜質(zhì)半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體中雖然存在著兩種載流子，但因本征半導(dǎo)體載流子的濃度很低，所以它的導(dǎo)電能力很差。但是在本征半導(dǎo)體中摻入某種特定的雜質(zhì)后，其導(dǎo)電性能將發(fā)生質(zhì)的變化。利用這一特性，可以制成各種性能的半導(dǎo)體器件。摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，可以分為電子型半導(dǎo)體和空穴型半導(dǎo)體。載流子以電子為主的半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體；載流子以空穴為主的半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。

1. N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體（四價(jià)元素硅或鍺的晶體）中摻入少量的五價(jià)雜質(zhì)元素，如磷、銻和砷等，則原來晶格中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子的最外層有5個(gè)價(jià)電子，因此，它與周圍4個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)多余一個(gè)電子。這個(gè)電子不受共價(jià)鍵束縛，而只受自身原子核的吸引。這種束縛力比較微弱，因此，只需較小的能量便可激發(fā)使其成為自由電子（如在室溫下即可成為自由電子），如圖1.3所示。因?yàn)槲鍍r(jià)雜質(zhì)原子可以提供電子，所以稱為“施主原子”或“施主雜質(zhì)”。五價(jià)原子提供一個(gè)電子（成為自由電子）后，本身因失去電子而成為正離子，但并不產(chǎn)生新的空穴，因?yàn)槲鍍r(jià)原子周圍的共價(jià)鍵中沒有空穴，這與本征半導(dǎo)體成對(duì)產(chǎn)生載流子的原理有所不同。

在這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中，除了由本征激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)外，還有五價(jià)原子提供的大量自由電子，因而自由電子的濃度將大大高于空穴的濃度，所以主要依靠電子導(dǎo)電，故稱為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中的自由電子稱為“多數(shù)載流子”（簡(jiǎn)稱“多子”），而其中的空穴稱為“少數(shù)載流子”（簡(jiǎn)稱“少子”）。

2. P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入少量的三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、錫和銦等，可以形成P型半導(dǎo)體。此時(shí)雜質(zhì)原子的最外層有3個(gè)價(jià)電子，因此，它與周圍4個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，由于缺少一個(gè)電子而形成空穴，如圖1.4所示。因?yàn)槿齼r(jià)雜質(zhì)原子提供一個(gè)空穴而可以接受一個(gè)電子，所以稱為“受主原子”或“受主雜質(zhì)”。在這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中，空穴的濃度將大大高于自由電子的濃度。因主要依靠空穴導(dǎo)電，故稱為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體中的空穴稱為“多數(shù)載流子”（簡(jiǎn)稱“多子”），而其中的自由電子稱為“少數(shù)載流子”（簡(jiǎn)稱“少子”）。

提示

在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子的濃度主要取決于摻入的雜質(zhì)濃度；而少數(shù)載流子濃度主要取決于溫度。

對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體來說，無論是N型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體，從總體上看，仍然保持著電中性。以后，為簡(jiǎn)單起見，通常只畫出其中的正離子和等量的自由電子來表示N型半導(dǎo)體；同樣，只畫出負(fù)離子和等量的空穴來表示P型半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體（N型、P型）的簡(jiǎn)化表示方法分別如圖1.5（a）和（b）所示。

總之，在純凈的半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)以后，其導(dǎo)電性能將大大改善。例如，在四價(jià)的硅原子中摻入百萬分之一的三價(jià)雜質(zhì)硼原子后，在室溫時(shí)的電阻率與本征半導(dǎo)體相比，將下降到五十萬分之一，可見導(dǎo)電能力大大提高了。當(dāng)然，僅僅提高導(dǎo)電能力不是最終目的，因?yàn)閷?dǎo)體的導(dǎo)電能力更強(qiáng)。

歸納

雜質(zhì)半導(dǎo)體的奇妙之處在于，摻入不同性質(zhì)、不同濃度的雜質(zhì)，并使P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體采用不同的方式組合，可以制造出形形色色、品種繁多、用途各異的半導(dǎo)體器件。

1.1.3　PN結(jié)的形成

將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體在保證晶格連續(xù)的情況下結(jié)合在一起，在其交界面形成一個(gè)具有特殊導(dǎo)電性能的區(qū)域-PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)造半導(dǎo)體器件的基本單元。

半導(dǎo)體內(nèi)的電流就其實(shí)質(zhì)來說，和導(dǎo)體中的電流一樣，都是電子在移動(dòng)。但半導(dǎo)體中電子的移動(dòng)比導(dǎo)體要復(fù)雜得多。首先，導(dǎo)體中只有自由電子導(dǎo)電，而半導(dǎo)體中，除了自由電子形成電流外，還有空穴運(yùn)動(dòng)形成電流。其次，導(dǎo)體中是自由電子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流，而在半導(dǎo)體中有兩種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流。

在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體交界面兩側(cè)，電子和空穴的濃度截然不同，P型區(qū)內(nèi)空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于N型區(qū)，N型區(qū)內(nèi)電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于P型區(qū)。由于存在濃度差，所以P型區(qū)內(nèi)空穴向N型區(qū)擴(kuò)散，N型區(qū)內(nèi)電子向P型區(qū)擴(kuò)散。這種由于存在濃度差引起的載流子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，所形成的電流稱為擴(kuò)散電流。

P型區(qū)的空穴向N型區(qū)擴(kuò)散并與N型區(qū)的電子復(fù)合，N型區(qū)的電子向P型區(qū)擴(kuò)散并與P型區(qū)的空穴復(fù)合。P型區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負(fù)電的“受主雜質(zhì)離子”；N型區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的“施主雜質(zhì)離子”。這些帶電的雜質(zhì)離子，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，不能隨意移動(dòng)，不參與導(dǎo)電。因而在交界面附近出現(xiàn)了帶電離子集中的薄層，稱為空間電荷層，又稱耗盡層或阻擋層，如圖1.6所示。空間電荷區(qū)的左半部是帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，右半部是帶正電的雜質(zhì)離子，從而在空間電荷區(qū)中就形成了一個(gè)由N型區(qū)指向P型區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)，稱為內(nèi)電場(chǎng)。在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，N型區(qū)中的“少子”空穴向P型區(qū)漂移，P型區(qū)中的“少子”電子向N型區(qū)漂移。載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下的這種運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)，所形成的電流稱為漂移電流。

歸納

在半導(dǎo)體PN結(jié)中進(jìn)行著兩種載流子運(yùn)動(dòng)，即多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，而兩種運(yùn)動(dòng)相互制約，最終兩種載流子運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后的PN結(jié)，內(nèi)建電場(chǎng)的方向由N型區(qū)指向P型區(qū)，說明N型區(qū)的電位比P型區(qū)高，這個(gè)電位差稱為電位勢(shì)壘UD（又稱“導(dǎo)通電壓”或“死區(qū)電壓”）。電位勢(shì)壘與材料有關(guān)，硅材料約為0.6～0.8V，鍺材料約為0.2～0.3V。

1.1.4　PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/h3>

假設(shè)在PN結(jié)加上一個(gè)正向電壓，即電源的正極接P型區(qū)，電源的負(fù)極接N型區(qū)。PN結(jié)的這種接法稱為正向接法或稱正向偏置（簡(jiǎn)稱正偏）。

正向接法時(shí)，外電場(chǎng)的方向與PN結(jié)中內(nèi)電場(chǎng)的方向相反，因而削弱了內(nèi)電場(chǎng)。此時(shí)，在外電場(chǎng)的作用下，P型區(qū)中的空穴向右移動(dòng)，與空間電荷區(qū)內(nèi)的一部分負(fù)離子中和；N型區(qū)中的電子向左移動(dòng)，與空間電荷區(qū)內(nèi)的一部分正離子中和。結(jié)果，由于多子移向了耗盡層，使空間電荷區(qū)的寬度變窄，于是電位勢(shì)壘也隨之降低，這將有利于多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，而不利于少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。因此，回路中的擴(kuò)散電流將大大超過漂移電流，最后形成一個(gè)較大的正向電流，其方向在PN結(jié)中是從P型區(qū)流向N型區(qū)。

正向偏置時(shí)，只要在PN結(jié)兩端加上一定的正向電壓（大于電位勢(shì)壘），即可得到較大的正向電流。為了防止回路中電流過大，一般可接入一個(gè)電阻。

假設(shè)在PN結(jié)上加上一個(gè)反向電壓，即電源的正極接N型區(qū)，而電源的負(fù)極接P型區(qū)，這種接法稱為反向接法或反向偏置（簡(jiǎn)稱反偏）。

反向接法時(shí)，外電場(chǎng)的方向與PN結(jié)中內(nèi)電場(chǎng)的方向一致，因而增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)的作用。此時(shí)，外電場(chǎng)使P型區(qū)中的空穴和N型區(qū)中的電子各自向著遠(yuǎn)離耗盡層的方向移動(dòng)，從而使空間電荷區(qū)變寬，同時(shí)電位勢(shì)壘也隨之增高，其結(jié)果將不利于多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，而有利于少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。因此，漂移電流將超過擴(kuò)散電流，于是在回路中形成一個(gè)基本上由少數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的反向電流，方向在PN結(jié)中是從N型區(qū)流向P型區(qū)。因?yàn)樯贁?shù)載流子的濃度很低，所以反向電流的數(shù)值非常小。在一定溫度下，當(dāng)外加反向電壓超過某個(gè)值（大約零點(diǎn)幾伏）后，反向電流將不再隨著外加反向電壓的增加而增大，所以又稱為反向飽和電流，通常用符號(hào)IS表示。正因?yàn)榉聪蝻柡碗娏魇怯缮贁?shù)載流子產(chǎn)生的，所以對(duì)溫度十分敏感。隨著溫度的升高，IS將急劇增大。

歸納

當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)較大的正向電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，回路中的反向電流非常小，幾乎等于零，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。可見，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

思考題

1.本征半導(dǎo)體中有幾種載流子？其濃度與什么有關(guān)？

2. P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體是如何形成的？ 

3.本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體存在哪些差別？

4.什么是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)？PN結(jié)的正向電流和反向電流是何種運(yùn)動(dòng)的結(jié)果？ 

5.什么是PN結(jié)？PN結(jié)是如何形成的？如何理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?/p>