1.1　半導(dǎo)體的基本知識(shí)

1.1.1　半導(dǎo)體及其主要特性

半導(dǎo)體以其輸入功率小和轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，常用的半導(dǎo)體器件主要有半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管和場(chǎng)效應(yīng)管等，這些器件廣泛地應(yīng)用于各種電子設(shè)備，使得電子技術(shù)在各行各業(yè)不斷續(xù)寫著神奇。而半導(dǎo)體器件是由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，要學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件，必須首先了解能構(gòu)成這些具有神奇功能的半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料。

自然界中的物質(zhì)按其導(dǎo)電能力強(qiáng)弱的不同，可分為三大類：導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。

通常將電阻率小于10-4Ω·cm的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，如金、銀、銅、鐵等，金屬都是良好的導(dǎo)體。將電阻率大于1010Ω·cm的物質(zhì)稱為絕緣體，如橡膠、塑料、玻璃等都很難導(dǎo)電。還有一類物質(zhì)，其導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體（電阻率在10-4～1010Ω·cm）。常用的半導(dǎo)體材料有硅（Si）、鍺（Ge）和砷化鎵（GaAs）等，大多數(shù)半導(dǎo)體器件所用的主要材料就是硅和鍺。

導(dǎo)體導(dǎo)電能力最好，常用于構(gòu)成傳導(dǎo)電流的電路，絕緣體幾乎不導(dǎo)電，宜用于限制電流流通，防止電流泄漏。半導(dǎo)體傳導(dǎo)電流不如導(dǎo)體，限制電流又不如絕緣體，卻得到了廣泛的應(yīng)用，而且半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展成為電子技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志，主要是因?yàn)榘雽?dǎo)體具有一些特殊性能，科學(xué)家利用這些特殊性能，制造出了性能優(yōu)異的半導(dǎo)體器件，從而引發(fā)了電子技術(shù)的飛躍。

（1）熱敏特性：半導(dǎo)體對(duì)溫度很敏感，其電阻率隨溫度的升高會(huì)減小，導(dǎo)電能力將顯著增加（例如半導(dǎo)體鍺在溫度每升高10℃時(shí)，其電阻率減小為原來(lái)的一半）。雖然這種特性對(duì)半導(dǎo)體器件的工作性能及半導(dǎo)體器件組成的電子電路的性能有許多不利的影響，但可利用這種特性制成各種熱敏器件，用于自動(dòng)控制系統(tǒng)以及溫度測(cè)量等。由此制成的熱敏電阻，可以感知萬(wàn)分之一攝氏度的溫度變化，把熱敏電阻裝在機(jī)器的各個(gè)重要部位，就能集中控制和測(cè)量它們的溫度；用熱敏電阻制作的恒溫調(diào)節(jié)器，可以把環(huán)境溫度定在上下不超過(guò)5℃的范圍；在農(nóng)業(yè)上，熱敏電阻制成的感測(cè)裝置能準(zhǔn)確地測(cè)出植物葉面的溫度和土壤的溫度；它還能測(cè)量輻射，幾百米遠(yuǎn)人體發(fā)出的熱輻射或1km外的熱源都能方便地測(cè)出。

（2）光敏特性：半導(dǎo)體材料對(duì)光照很敏感。半導(dǎo)體材料受到光照射時(shí)，其電阻率減小，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)。例如一種硫化鉻的半導(dǎo)體材料，在一般燈光照射下，其電阻率是移去光照后的幾十分之一或幾百分之一。利用半導(dǎo)體的光敏特性，可以制成光電二極管、光電三極管和光敏電阻等多種光電器件，用于自動(dòng)控制和光電控制電路中。如應(yīng)用光電器件可以實(shí)現(xiàn)路燈、航標(biāo)燈的自動(dòng)控制；可以制成火災(zāi)報(bào)警裝置；可以進(jìn)行產(chǎn)品自動(dòng)計(jì)數(shù)等。

（3）摻雜特性：在純凈的半導(dǎo)體中人為地?fù)饺胛⒘康碾s質(zhì)元素，就會(huì)使它的導(dǎo)電能力急劇增強(qiáng)。例如在半導(dǎo)體硅中摻入億分之一的硼（B），其導(dǎo)電能力可以提高幾萬(wàn)倍。人們就是用控制摻雜濃度的方法，精確地控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，制造出各種不同性能、不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等。而且在半導(dǎo)體不同的部位摻入不同的雜質(zhì)，就會(huì)呈現(xiàn)不同的性能，再采用一些特殊工藝，將各種半導(dǎo)體器件進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接就可制成具有某一特定功能的電路（集成電路）甚至是系統(tǒng)，這就是半導(dǎo)體最具魅力之處。

常用的半導(dǎo)體材料在自然中都是以晶體結(jié)構(gòu)存在的，因此由其構(gòu)成的半導(dǎo)體二極管、三極管又稱作晶體二極管和晶體三極管。

1.1.2　本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.本征半導(dǎo)體

半導(dǎo)體之所以具有上述特殊特性，是因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)特殊。常用的半導(dǎo)體材料硅和鍺都是四價(jià)元素，其原子最外層軌道都具有四個(gè)電子，稱為價(jià)電子。原子與原子之間通過(guò)共價(jià)鍵連接在一起，形成空間有序排列，半導(dǎo)體呈晶體結(jié)構(gòu)，把這種非常純凈且原子排列整齊的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體，如圖1.1所示。

半導(dǎo)體中有兩種導(dǎo)電粒子，一種是帶負(fù)電荷的自由電子，一種是相當(dāng)于帶正電荷的空穴，它們?cè)谕怆妶?chǎng)作用下都能定向移動(dòng)形成電流，所以統(tǒng)稱為載流子。本征半導(dǎo)體中兩種載流子的數(shù)量相等。常溫下自由電子和空穴兩種載流子的數(shù)量很少，所以導(dǎo)電性很差。然而當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，兩種載流子的數(shù)量會(huì)顯著增多，導(dǎo)電性明顯提高，這就是半導(dǎo)體的導(dǎo)電性隨溫度變化而明顯變化的原因。

2.雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入微量的其他元素（稱雜質(zhì)），就會(huì)使它的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化，這種摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體兩大類。

1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入微量的五價(jià)元素，如磷（或砷、銻）等，則可構(gòu)成N型半導(dǎo)體。每摻入一個(gè)雜質(zhì)原子就能產(chǎn)生一個(gè)自由電子，使得半導(dǎo)體中的載流子數(shù)量大大提高，導(dǎo)電性顯著增強(qiáng)。

在N型半導(dǎo)體中因摻雜而產(chǎn)生了大量的自由電子，使得自由電子和空穴兩種載流子的數(shù)量不再相等，空穴的數(shù)量極少，稱為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子；自由電子的數(shù)量居多，稱為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子。N型半導(dǎo)體以自由電子為導(dǎo)電主體，故又稱電子型半導(dǎo)體。

2）P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入微量的三價(jià)元素，如硼（或銦、鎵）等，則可構(gòu)成P型半導(dǎo)體。每摻入一個(gè)雜質(zhì)原子就能產(chǎn)生一個(gè)空穴，使得半導(dǎo)體中的載流子數(shù)量大大提高，導(dǎo)電性顯著增強(qiáng)。

在P型半導(dǎo)體中因摻雜而產(chǎn)生了大量的空穴，使得自由電子和空穴兩種載流子的數(shù)量不再相等，自由電子的數(shù)量極少，稱為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子；空穴的數(shù)量居多，稱為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子。P型半導(dǎo)體以空穴為導(dǎo)電主體，故又稱空穴型半導(dǎo)體。

注意：在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子的數(shù)量主要取次于摻雜元素的多少，因此，可以通過(guò)控制摻雜元素的多少來(lái)控制其導(dǎo)電能力。而少數(shù)載流子的數(shù)量主要取決于溫度，因此，半導(dǎo)體器件工作的穩(wěn)定性是受溫度影響的。無(wú)論哪種雜質(zhì)半導(dǎo)體，對(duì)外均不顯電性。

1.1.3　PN結(jié)及其導(dǎo)電特性

1.PN結(jié)的形成

雖然雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力大大提高，但單一的P型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體只能起電阻作用。通過(guò)特殊的摻雜工藝，將純凈半導(dǎo)體的一側(cè)做成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)做成N型半導(dǎo)體，在其交界處就形成了一個(gè)特殊的導(dǎo)電薄層，稱之為PN結(jié)，如圖1.2所示。PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。

2.PN結(jié)的導(dǎo)電特性

PN結(jié)的P區(qū)接外電源的正極，N區(qū)接外電源的負(fù)極，叫PN結(jié)外加正向電壓，也叫PN結(jié)正向偏置（簡(jiǎn)稱正偏），如圖1.3（a）所示，形成的電流叫正向電流；PN結(jié)的P區(qū)接外電源的負(fù)極，N區(qū)接外電源的正極，叫PN結(jié)外加反向電壓，也叫PN結(jié)反向偏置（簡(jiǎn)稱反偏），如圖1.3（b）所示，形成的電流叫反向電流。

PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)很小的電阻，流過(guò)的正向電流較大，并隨外加正向電壓的增大而增大，稱PN結(jié)正向?qū)ǎ籔N結(jié)外加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)很大的電阻，流過(guò)的反向電流很小，幾乎為零，且基本不隨外加電壓變化而變化，這種情況稱PN結(jié)反向截止。

PN結(jié)正偏時(shí)導(dǎo)通，反偏時(shí)截止的特性，稱為PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦浴?/p>