1.1　半導體基礎知識

1.1.1　本征半導體

1.常用的半導體材料

物體按其導電性能可分為三類：導體、絕緣體和半導體。導電能力介于導體和絕緣體之間的一些物體叫半導體，常用的半導體材料有硅、鍺、硫化鎘等。物體的導電性是由物體內可自由移動的帶電粒子多少來決定的，這種能在物體內自由移動的帶電粒子稱為載流子。物體內部載流子的濃度越大，物體的導電能力越強。例如，金、銀、銅、鋁等金屬導體，其內部含有大量帶負電荷的載流子——自由電子，所以它們具有良好的導電性能；而橡膠、塑料、云母、陶瓷等的物體，其內部幾乎沒有載流子，所以它們沒有導電性能。

半導體的電阻率約為導體的1000億倍。半導體得到廣泛應用并不在于它的電阻率的大小，而在于其電阻率的特性。經研究，半導體電阻率具有如下特性：

①熱敏特性：半導體的電阻率隨溫度上升迅速下降，呈負溫度系數的特性。利用其特性可以制成熱敏電阻。

②光敏特性：半導體的電阻率隨光照的不同而改變，光照越強，電阻率下降越多。利用這個特性，可把它制成光敏元件。

③摻雜特性：半導體電阻率與所含微量雜質元素的濃度有很大關系。利用此特性，通過不同的工藝手段，可制成各種類型的半導體器件。

半導體一般分為本征半導體和雜質半導體。

2.本征半導體

純度很高、晶格結構完整的半導體稱為本征半導體。例如，半導體材料硅和鍺的最外層均有4個價電子，而原子最外層電子數目為8個時為穩定結構。但在它們制成單晶后，最外層的4個價電子不僅受到自身原子核束縛，而且被與它們相鄰的4個原子核相吸引，2個相鄰原子之間共有1對價電子，構成穩定結構，這種結構稱為共價鍵結構，如圖1.1所示。

本征半導體在溫度為絕對零度（-273℃）時，共價鍵上的價電子不能掙脫原子核的束縛，內部沒有載流子，此時本征半導體就相當于絕緣體。但是，在常溫下由于熱能的作用，使一些價電子可以獲得足夠能量掙脫原子核的束縛成為自由電子。這樣，在原來的共價鍵位置上就留下一空位，這個空位稱為空穴。由此可見，在本征半導體中自由電子和空穴是成對產生的，稱為電子-空穴對。產生電子-空穴對的過程稱為熱激發，如圖1.2所示。自由電子在不斷地做無規則熱運動時也會充填某些空穴，使電子-空穴對消失，這種過程稱為復合。在一定溫度下，電子-空穴對的產生與復合達到動態平衡，半導體中的載流子數目維持穩定。顯然，環境溫度越高，熱激發越強烈，內部載流子數目越多。因此，溫度對半導體的導電性能有影響，這是半導體器件工作不穩定的一個重要因素。

在半導體中有兩種載流子——自由電子和空穴。然而，電子-空穴對的熱運動是雜亂無章的，整塊半導體對外呈電中性。只有在外電場的作用下，電子和空穴的運動才有方向性。

1.1.2　雜質半導體

在常溫下，本征半導體中的載流子數目與金屬導體相比仍然很少，所以本征半導體的導電能力很弱，實際使用價值不大，但如果在本征半導體中摻入微量有用的某種雜質元素，就會使其導電能力大大提高。根據摻入雜質的不同，可產生N型半導體和P型半導體。

1.N型半導體

在本征半導體（以硅為例）中摻入微量的5價元素，如磷（P）、砷（As）等，如圖1.3所示。這時磷原子自然就要取代某些硅原子與相鄰的硅原子的最外層價電子組成共價鍵結構，由于磷原子最外層有5個價電子，所以有一個磷原子就多余一個價電子，這些多余的價電子不受共價鍵的束縛，在常溫下很容易受激發成為自由電子。摻入的磷元素越多，則自由電子數目就越多。另外，這種摻雜半導體在常溫下還會熱激發，會產生電子-空穴對，但它們的數目比磷原子提供的自由電子數目少得多。那么，就整塊半導體而言，自由電子數目較多，是多數載流子；空穴的數目較少，是少數載流子，因此，這種半導體主要靠自由電子導電，所以稱為電子型半導體，由于電子呈負的（Negative）電性，故也稱N型半導體。

2.P型半導體

在本征半導體（以硅為例）中摻入微量的3價元素，如硼（B），如圖1.4所示，那么，由于硼原子最外層只有3個價電子，當硼原子與相鄰4個硅原子組成共價鍵時，在一個共價鍵上就少一個電子，形成一個空穴。這樣，每多摻入一個硼原子就會多出現一個空穴，使這種摻雜半導體內產生大量空穴。另外，在常溫下還有熱激發會產生電子-空穴對，但它們的數量比硼原子提供的數目少得多。因此，就整塊半導體而言，空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子，因此，這種半導體主要靠空穴導電，所以稱為空穴型半導體，因為空穴呈正的（Positive）電性，故也稱P型半導體。

通過以上的闡述可知：不論N型半導體還是P型半導體都是電中性的，對外不顯電性。

另外，N型半導體和P型半導體還可以互相轉化。一塊N型半導體放入濃度很大的3價元素，在一定的條件下，這3價元素不僅復合了絕大多數自由電子，而且還剩余了空穴。這樣，原來的N型半導體便改變為P型半導體了。這種特性被廣泛應用于半導體器件（特別是集成電路）的生產中。

1.1.3　PN結的形成與特性

1.PN結的形成

當P型半導體和N型半導體接觸后，由于交界面兩側半導體類型不同，存在電子和空穴的濃度差。這樣，P區的空穴向N區擴散，N區的電子向P區擴散，如圖1.5（a）所示。由于擴散運動，在P區和N區的接觸面就產生正、負離子層。通常稱這個正、負離子層為PN結。

N區失去電子產生正離子，P區得到電子產生負離子。正負離子層之間產生了內電場，內電場的方向從N區指向P區。隨著擴散運動的進行，內電場不斷加強，它既阻礙N區的自由電子向P區擴散，同樣也阻礙了P區的空穴向N區擴散。另外，除了上述的擴散運動外，N區的少數載流子要借助于內電場的作用順利地向P區漂移；P區的自由電子也向N區漂移，形成少數載流子的漂移運動。漂移運動的方向與擴散運動的方向相反，當擴散運動的載流子數等于漂移運動的載流子數時，達到了動態平衡，交界面兩側就維持了一定厚度的空間電荷區，如圖1.5（b）所示。

2.PN結的單向導電特性

（1）PN結的正向導通特性

如果給PN結加正向電壓，即P區接正電源，N區接負電源，此時稱PN結為正向偏置，如圖1.6（a）所示。這時PN結外電場與內電場方向相反，外電場抵消內電場使空間電荷區變薄，有利于多數載流子運動，形成正向電流IF，外電場越強，正向電流越大，這意味著PN結的正向電阻變小。

（2）PN結的反向截止特性

如果給PN結加反向電壓，即N區接正電源，P區接負電源，此時稱PN結為反向偏置，如圖1.6（b）所示。這時PN結外電場與內電場方向相同，使內電場的作用增強，PN結變厚，多數載流子擴散運動幾乎不可能，但少數載流子的漂移運動卻得以加強，形成漏電流IR，由于少數載流子的數目很少，所以只有很小的電流通過，接近于零，即PN結的反向電阻很大。

綜上所述，PN結具有單向導電性，加上正向電壓時電阻很小，電流較大，是多數載流子的擴散運動形成的；加上反向電壓時PN結電阻很大，電流很小，是少數載流子的漂移運動形成的。