1.1 半導體和PN結

自然界中，硅（Si）、鍺（Ge）、砷（As）、碲（Te）等都是半導體物質，制造二極管主要是用硅和鍺。這里以硅為例，先討論物質結構及特性，然后深入研究PN結及其特性。

1.1.1 半導體的物質結構

物質由分子或原子構成，分子也由原子構成。下面簡介半導體物質的原子結構。

1.半導體的原子結構

（1）原子結構圖

根據原子結構理論，原子是由原子核和核外電子組成的，即

圖1-1（a）、（b）所示分別為硅、鍺的原子結構示意圖。圖中，實線圓表示位于原子中心的原子核；虛線圓上的黑點表示核外按層次排布的電子；虛線圓表示電子圍繞原子核運動的軌跡。原子核與電子都帶電，電子帶負電，原子核帶正電。

原子結構圖中通常只畫出電子和原子核，并在原子核內標出核電荷數，用“+”表示原子核帶正電。圖1-1（a）中，單個硅原子中有14 個帶負電荷的電子，原子核正電荷數也為14。原子結構圖表明，整個原子保持電中性。

原子核又是由質子和中子組成的。一個質子帶一個基本電荷的正電，呈現正電性；中子不帶電荷，不顯電性。原子核的核電荷數由質子數決定，正常情況下，質子正電荷數跟核外電子數相等。若按核電荷數由小到大的順序對元素進行編號，這個編號就是原子序數。原子序數、核電荷數、核內質子數、核外電子數有如下關系：

原子序數=核電荷數=核內質子數=核外電子數

（2）核外電子的運動

電子是帶負電的微小粒子，位于原子核外，不停地運動。電子運動與普通物體運動狀態不同，同時具有多種運動形式，一是電子本身做自轉運動，二是電子在一定范圍內不停地繞原子核做圓周運動。

電子不停地繞原子核做圓周運動的同時，還在直徑約10?10m的空間內做高速運動，如圖1-2所示。在這很小的空間內，電子運動沒有確定的軌道，但這個小空間卻與原子核保持一定距離，并繞核運動。小空間繞核運動的區域，稱為電子運動層，簡稱電子層。硅原子有三層電子層。

（3）核外電子的排布層

研究表明，原子中電子的排布遵循如圖1-2所示的規律。

研究還表明，每一電子層上電子個數是確定的，為2n2個。其中，n=1、2、3、4、5、6，表示電子層數。據此，就可算出每一電子層中的電子個數，也可描畫出單個原子結構圖。當最后一層電子數不足2n2 個時，就為所剩數。例如，硅原子最后一層的電子數是14?（2+8）=4。

硅、鍺原子的電子排布情況如圖1-1與表1-1所示。

（4）核外電子的能量

原子核帶正電，它將帶負電的電子吸引在其周圍，有的電子距原子核近，有的距原子核遠。電子不停地繞核做圓周運動時，如果電子動能增加，離心力會增大，電子將克服原子核的吸引力，向遠離原子核的電子層移動。相反地，動能小的電子，受原子核吸引力大，將被吸到離原子核較近的電子層上。因此，常將電子層叫做電子能級層。

在同一電子層中，電子能量有差別。據此，可把每一電子層再分成一個或幾個亞電子層，這里不做深入討論。從圖1-2中可以看出，在同一電子層上，有的電子處在電子層內邊緣，有的處在電子層中部，有的則處在電子層外邊緣。

電子在核外正常排布時，總是盡量先占有能量最低的能級層（K層）。最低能級層占滿后，便依次占有能量較高的能級層（L……層），這樣的原子結構最穩定。

還應指出，特殊情況下，如果電子從外界獲得額外能量（如溫度升高時電子能獲得額外能量）會從低能級層移動到高能級層。原子上述特點，是分析PN結特性的基礎。

2.半導體的原子結合

原子可以結合成分子，構成物質，它是相鄰原子之間通過化學鍵連接而成的穩固結構，要破壞這種連接就要消耗比較大的能量，這就是原子之間相互結合的主要因素。

化學鍵的類型主要有離子鍵、共價鍵、金屬鍵等，不同物質的原子之間是依靠不同的化學鍵來結合的。例如，氯化鈉的原子之間通過離子鍵連接；金屬原子之間通過金屬鍵連接；硅物質的原子之間通過共價鍵連接。由于只討論半導體，所以下面只介紹共價鍵。

共價鍵是原子間通過“公用電子對”形成的，這種化學鍵能將相鄰原子牢固地連接在一起。要了解共價鍵，應先明確“價電子”和“公用電子對”的概念。

原子最外層電子叫做價電子。硅原子最外層有四個價電子，所以稱為四價元素。

原子外層有8 個電子時狀態比較穩定，而單個硅原子最外層只有4 個電子，屬非穩定狀態。硅原子構成硅物質后，每個原子都吸引相鄰原子最外層電子，以使自己趨于穩定狀態。如圖1-3所示，中間那個原子，一方面要吸引四個相鄰原子的最外層電子到它的最外電子層，使自己趨于穩定狀態。另一方面，它的最外層4個電子，也時常被吸引到相鄰原子最外電子層，使其他原子趨于穩定狀態。這樣中間原子就與4個相鄰原子形成了4個公用電子對。圖中用橢圓圈起來的兩個電子，就是公用電子對。

雖然電子對中兩個電子可以出現在相鄰原子最外電子層上，但兩個電子并不會隨意松散分開。這種公用電子對會使相鄰原子牢固地聯系在一起?？梢?，這是一種特殊形式的連接，是通過公用價電子實現的，因此將原子間這種連接叫做共價鍵連接。由上述可知，硅原子間是以共價鍵結合的。

3.半導體的晶體結構

根據物質中原子（分子）的排列形式，可分為晶體和非晶體兩類。原子規則排列的物質稱為晶體，原子無規則排列的物質稱為非晶體。

圖1-4是金剛石內原子排列的示意圖，是有規則的晶體結構。

根據晶體中原子（分子）的種類及之間的不同作用，可把晶體分成離子晶體、分子晶體、原子晶體和金屬晶體等若干類型。氯化鈉以離子晶體形態存在，干冰以分子晶體形態存在，金屬以金屬晶體形態存在，半導體則以原子晶體形態存在。

用來制造二極管的硅或鍺都是晶體，都是以共價鍵結合的，所以也稱為共價晶體。

（1）原子晶體

在金剛石晶體里，每個碳原子都被4 個相鄰碳原子包圍著，并以共價鍵跟相鄰4 個碳原子結合，成為正四面體結構，其共價鍵長為1.55×10?10m，鍵角為109°28′。正四面體結構向空間發展，便構成一種堅實、彼此聯結的空間網格晶體，如圖1-4所示。這種相鄰原子之間以共價鍵相結合，形成空間網格結構的晶體，叫做原子晶體。硅、鍺晶體都是原子晶體。

（2）單晶體與多晶體

按照整塊晶體內部結構排列方向是否完全一致，晶體分為單晶體和多晶體。單晶體中的結構趨向完全一致，如圖1-5（a）所示。多晶體中各部分晶體結構的趨向不完全一致，如圖1-5（b）所示。多晶體不能直接用來制造晶體管元件，必須在單晶爐內煉成純凈、沒有結構缺陷與差異的單晶體，才能用來制造二極管、三極管等半導體器件，因此也稱二極管為晶體二極管。

1.1.2 半導體材料的特性

1.半導體的導電性能

物質按導電能力的差別分為導體、半導體和絕緣體三類。銀、銅、鋁、鐵等容易導電，稱為導體；橡皮、塑料、陶瓷、玻璃等很難導電，稱為絕緣體。

自然界中還有一類物質，如硅（Si）、鍺（Ge）等，它們的導電性能介于導體和絕緣體之間，常把這類物質稱為半導體。半導體材料有很多種，除硅、鍺外，還有砷、硒等單質以及砷化鎵（GaAs）、磷砷化鎵（PGaAs）等化合物。

2.半導體的電阻率

導體的電阻率很小，一般為10?3～10?6??cm，因此導體容易導電。絕緣體的電阻率很大，一般為108～1020??cm，因此絕緣體很難導電，或者說不能導電。

半導體的電阻率介于導體和絕緣體之間，一般為10?3～108??cm。這表明半導體導電能力有一個較寬的范圍，這是因為半導體外部條件改變（溫度變化）時，其內部載流子（導電粒子）密度會隨之改變，導致電阻率發生變化。電阻率變小時，導電能力增強；電阻率變大時，導電能力減弱。在外界條件變化時，導體與絕緣體的電阻率雖然也有所改變，但不如半導體變化顯著。

3.半導體中的電子載流子

不同物質電阻率差異的根本原因在于物質內部原子結合的方式、原子本身的結構及其內部運載電荷的粒子多少和運動速度不相同。運載電荷的粒子叫載流子。

比較來說，金屬外層電子受原子核束縛力最小，因此有大量電子能掙脫原子核的束縛成為自由電子。自由電子就成為運載負電荷的載流子，稱為“電子載流子”。它們在外電場作用下做定向運動形成電流，所以金屬導電性能良好。

絕緣材料中，原子最外層電子受原子核束縛力很大，不容易掙脫出來，形成自由電子的機會非常小，不能形成電子載流子。這一特點決定了絕緣材料的電阻率很高。

半導體原子結構較特殊，其外層電子不像導體那樣容易掙脫，也不像絕緣體那樣束縛很緊，這就決定了半導體的載流子和導電特性介于導體和絕緣體之間。這是區別導體、半導體、絕緣體導電能力的本質。

硅、鍺是制造半導體器件用得最多的兩種材料，在載流子密度方面，當室溫和外界條件相同時，鍺材料中載流子密度比硅材料中載流子密度大一千多倍。也就是說，硅比鍺的電阻率大一千多倍。現在多以硅材料來制造二極管、三極管、晶閘管和場效應管等半導體器件。

4.半導體中的空穴載流子

半導體還有一個特性，就是它不僅有電子載流子，還有“空穴載流子”。

由圖1-3 可知，兩個相鄰硅原子間，都以共價鍵結合，其中兩個公用電子稱為“電子對”，也叫價電子。電子對中任何一個電子，一方面繞自身原子核運動，另一方面也時常跑到相鄰原子最外電子層上，這是共價鍵中電子對的特點。

半導體硅在熱力學溫度為0K和沒有外界影響的條件下，通常不產生自由電子。但在溫度升高或受到光線照射時，其共價鍵中價電子便能從外界獲得足夠大的能量，掙脫原子核束縛成為自由電子。自由電子離開原來位置后，就留下一個空位，稱為“空穴”，如圖1-6 所示。在共有化運動中，因為存在著空穴，附近的公用電子很容易跑過來填補空穴，從而形成電子載流子。另外，電子移動相當于空穴在向相反方向移動，為了區別這一點，就把空穴的移動叫做空穴運動。無論是從效果上看，還是從現象上看，空穴運動都是存在的。空穴運動同樣形成電流，通常叫做空穴電流。

需要指出，在沒有外加電場作用下，半導體中自由電子運動和空穴運動都是無規則的，平均位移為零，并不產生電流。外加電場后，自由電子將沿逆電場方向運動，同時空穴也等效地沿電場方向運動。這表明，空穴也是一種載流子，稱為空穴載流子，它能運載正電荷形成空穴電流。空穴形成電流的方向與電子形成電流的方向相反。

半導體外加電壓時，形成的電流可以看做兩部分。一部分是電子定向運動形成電子電流，另一部分是空穴等效運動形成空穴電流。這是半導體導電的一個重要特性。

5.電子–空穴對及其特性

（1）電子–空穴對的產生與復合

物質總是不停地運動，在室溫為27℃（300K）條件下，硅和鍺中電子能量將增大，一部分價電子能掙脫原子核束縛，使半導體里不斷產生自由電子和空穴。因此，電子和空穴總是相伴而生、成對出現，通常稱之為“電子–空穴對”。

在純凈半導體中，外界條件改變時，將不斷地產生電子–空穴對，這一過程稱為產生。另一方面，自由電子與空穴在運動過程中又會相遇，電子釋放能量填補到空穴中，恢復原子結合的共價鍵，這樣電子–空穴對又消失了，這一過程稱為復合。

電子–空穴對的產生與復合，是半導體中電子熱運動產生的必然結果。

（2）電子–空穴對產生和復合的動態平衡

在一定溫度下，如果沒有其他外界條件影響，電子–空穴對的產生、復合會達到相對的動態平衡，使載流子濃度保持為一定的熱平衡值。這時，產生和復合雖然仍在進行，但產生的載流子數與復合的載流子數相等，兩者相互抵消，使得載流子濃度的熱平衡值不變，電子–空穴對始終維持一定數目。

溫度升高時，產生的載流子數增多，隨著載流子數量增多，復合的載流子數也跟著增多，最后載流子在較大濃度值下達到新的動態平衡。

另外，半導體在溫度保持不變但受到光線照射時，產生載流子數量將比無光照時多，復合的數量也隨著增多，最后載流子將在大于該熱平衡的濃度值下，達到新的動態平衡。

1.1.3 PN結及其特性

隨著科技發展和對半導體的深入研究，人們發現半導體摻入雜質，能使其導電性能大大增強。二極管的制作正是利用了這個突出特點。

摻入雜質就是在純半導體中摻入其他物質，摻入的物質就叫雜質。例如，在4 價硅（Si）中摻入3價硼（B），能使半導體中空穴載流子數目劇增，導電特性大為加強。在4價硅中摻入5價磷（P），能使半導體中電子載流子數目劇增，同樣使半導體導電特性大為加強。

如果在純凈半導體中摻入雜質使空穴數目增多，就稱為空穴型半導體，記為P型半導體。若在純凈半導體中摻入雜質使電子數目增多，就稱為電子型半導體，記為N型半導體。

通常，摻入雜質是在提煉單晶的工藝中一起完成的，單晶硅和單晶鍺就是指摻雜后的半導體材料，二極管就是用摻雜后的半導體材料制成的。

1.P型半導體

在4價硅中摻入3價的硼（或鋁、鎵、銦）后，由于硼原子最外層只有3個價電子，它在與4個硅原子組成共價鍵時，就缺少一個價電子，因而形成一個空穴，如圖1-7所示。這時，相鄰4價硅的價電子會來填補這個空位置，又產生新的空穴。摻入的硼越多，產生的空穴就越多，硅晶體里幾乎沒有自由電子，主要是靠空穴來導電，這樣的硅稱為P型硅，或稱為P型半導體。

2.N型半導體

在純凈硅中摻入5 價的磷（或砷、銻）后，由于磷原子最外層有5 個價電子，它在與周圍4個硅原子組成共價鍵時就多出一個價電子，成為自由電子，如圖1-8所示。摻入的磷越多，產生的自由電子就越多。這時硅晶體內幾乎沒有空穴，主要靠電子導電，這樣的硅就稱為N型硅，或稱為N型半導體。

3.PN結的形成及特性

（1）PN結的形成

在P型半導體上采用一定工藝方法，再生成N型半導體，于是在P型半導體與N型半導體的結合面就產生一個交結區，這個交結區就稱為PN結。PN結兩邊的半導體則稱為P區和N區，如圖1-9 所示。深入討論PN結的特性，就是載流子的擴散運動與漂移運動形成單向導電的阻擋層。

（2）載流子的擴散運動

上面講過，在P型半導體中，由于硅原子的電子會填補硼原子的空位，便使硼成為負離子，也使P型半導體中的載流子主要是空穴，如圖1-10（a）所示。而在N型半導體中，磷原子與硅原子以共價鍵連接后，磷原子就多出一個電子成為自由電子，使磷成為正離子，也使N型半導體中的載流子主要是電子，如圖1-10（b）所示。

在P型半導體與N型半導體結合后，由于P型半導體里空穴濃度大（幾乎沒有電子），N型半導體里電子濃度大（幾乎沒有空穴），所以空穴就經交界面向N區擴散，電子則經交界面向P區擴散，如圖1-10（c）所示。

擴散是濃度（密度）差別形成的，它是否要進行到整個P區和N區里兩種載流子全部均勻（濃度相等）后才停止呢？事實并非如此。隨著載流子的擴散，在交界面附近，空穴與電子相遇會復合。于是在P區留下負離子，用“”表示。負離子被束縛在晶體結構中，不能自由移動。同樣，在N區就留下正離子被束縛在晶體結構中，也不能自由移動，用“”表示。結果在PN結交界面附近就產生一層很薄的空間電荷區，如圖1-10（d）所示

在空間電荷區內，負離子使左邊帶負電，正離子使右邊帶正電，于是形成PN結內部的電場。該電場的方向恰好與載流子（空穴和電子）擴散方向相反，將阻止空穴繼續向N區擴散，也阻止電子繼續向P區擴散，因此又稱空間電荷區為阻擋層。

（3）載流子的漂移運動

PN結產生阻擋層后，載流子仍會運動，載流子在電場阻礙力下的運動稱為漂移運動。

在擴散開始的時候，擴散運動占優勢，接連不斷地進行。隨著擴散進行，PN結空間電荷區逐漸加寬，內電場增大，擴散運動就轉變為漂移運動，同時內電場也對載流子漂移的作用加劇，最后使擴散與漂移達到動態平衡。

PN結中載流子達到動態平衡后，P區和N區交界面附近就形成厚為幾微米至幾十微米的空間電荷區，空間電荷區的電場具有一定電位差（簡稱電壓）。電場的電壓建立在PN結內，叫PN結的內建電壓。由于內建電壓的存在，P、N區之間的載流子就不再相互移動，這就是擴散運動與漂移運動形成PN結的結果。

（4）PN結的單向導電特性

PN結的特性主要體現在阻擋層上，即阻擋層在外加電壓作用下，只能使通過它的電流朝單一方向運動，因此常說PN結具有單向導電特性，這也是二極管工作原理的基礎。