半导体的基本知识

自然界中存在着各种物质，按导电能力的强弱可分为导体、半导体和绝缘体。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。常见的半导体材料有硅、锗、硒、砷化镓和氧化物、硫化物等，多以晶体形式存在。

半导体之所以被重视，是因为许多半导体的导电能力在不同的条什F柯着显著的差异。例如，有些半导体如钴、锰、硒等的氧化物对温度的反应特别灵敏，环境温度升高时，它们的导电能力会明显增强。利用这种热敏特性可制成各种热敏元件，如半导体热敏电阻。又如，有些半导体如铬、铝的硫化物和硒化物受到光照时，它们的导电能力会变得很强；当无光照射时，又变得像绝缘体那样不导电。利用这种光敏特性可制成各种光敏元件，如半导体光敏电阻。

更重要的是，如果在纯净的半导体中掺入微量的杂质元素，其导电能力会明显增强。

利用半导体的这种掺杂特性，可制成种类繁多的具有不同用途的半导体器件，如二极管、三极管、场效应管等。

1．半导体的导电特性完全纯净、具有晶体结构的半导体K4S280832C-TC1H.html" target="_blank" title="K4S280832C-TC1H">K4S280832C-TC1H称为本征半导体(IntrinsicSemiconductor)或I型半导体。硅和锗都是4价元素，其原子核最外层有4个价电子，如图1.2所示，它们都是由同一种原子构成的“单晶体”，属于本征半导体。在这种晶体结构中，每个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成共价键结构，如图1.3所示。本征半导体在热力学温度为零的情况下，电子被共价键束缚得很紧，没有导电能力。当温度升高时，由于热激发，少量价电子即可挣脱原子核的束缚成为自由电子，使半导体具有一定的导电能力。同时在共价键中就留下了一个空位，称为空穴。在外电场的作用下，自由电子作定向移动，形成电子电流。带正电的空穴吸引相邻原子中的价电子来填补，而在该原子的共价键中产生另一个空穴。空穴被填补和相继产生的现象，可以理解为空穴在移动，形成空穴电流。因此在半导体中同时存在着电子导电和空穴导电。自由电子和空穴都称为载流子。

在本征半导体中自由电子和空穴总是成对出现，如图1.4所示。

由此可见，半导体在外加电场作用下出现的电流是由自由电子和空穴两种载流子的定向移动形成的。这是半导体导电和金属导体导电的本质医别。

常温下，本征半导体中自由电子浓度等于空穴浓度，这两种载流子数量极少，导电能力仍然很弱。如果在其中掺入某些微量杂质，这将使掺杂后的半导体（杂质半导体）的导电能力大大增强。

在本征半导体硅中掺入5价元素（如磷），由于掺入的数量极少，所以本征半导体的结构不会改变，只是晶体结构中某些位置上的硅原子被磷原子取代，当这些磷原子与相令B的4个硅原子组成共价键时，多余的价电子很容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，就形成了N型半导体，也称为电子型半导体，如图1.5所示。在N型半导体中，自由电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子），主要靠自由电子导电。自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成。掺人的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强。

在本征半导体硅中掺人3价元素（如硼），由于掺人的数量极少所以本征半导体的结构不会改变，只是晶体结构中某些位置上的硅原子被硼原子取代，当这些硼原子与相邻的4个硅原子成共价键时，将由于缺少电子而产生空穴，每个硼原子都能提供一个空穴，于是空穴大量增加，就形成P型半导体，也称为空穴型半导体，如图1.6所示。在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。

综上所述，N型半导体(N-typeSemiconductor)是自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体，而P型半导体(P-typeSemiconductor)是空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。

2．PN结的形成及单向导电性采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导俸与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成PN结。此时，N型半导体中的多子自由电子的浓度远大于P型半导体少子自由电子的浓度，P型半导体中多子空穴的浓度远大于N型半导体中少子空穴的浓度，于是在两种半导体的交界面处会因浓度差发生载流子的扩散运动，如图1.7(a)所示。在交界面N区的一侧，随着自由电子向P区扩散，只剩正离子；在交界面P区一侧，随着空穴向N区扩散，只剩负离子。离子不能移动，所以在N型半导体和P型半导体的接合面两侧出现空间电荷区。空间电荷区的正负离子形成电场，方向从N区指向P区，称为内电场。

内电场对多数载流子的进一步扩散起阻碍作用，限制扩散运动的进一步发展，但对少数载流予的运动起推进作用，内电场将P区的少子自由电子拉向N区，将N区的少子空穴拉向P区，形成少数载流子的漂移运动。显然，多子的扩散运动和少子的漂移运动方向刚好相反。在一定的条件下，漂移运动和扩散运动达到动态平衡，PN结处于相对稳定的状态。

当在PN结两端加正向电压（简称正偏），即电源正极接P区，负极接N区时，外电场和内电场的方向相反，当外电场大于内电场时，内电场的作用被抵消，PN结变薄，多数载流子的扩散运动增强，形成正向电流。外加电场越强，正向电流越大，PN结的正向电阻就越小，此时PN结处于导通状态。

当在PN结两端加反向电压（简称反偏），即电源正极接N区，负极接P区时，外电场和内电场的方向相同，使内电场的作用增强，PN结变厚，多数载流子的扩散运动减弱，少数载流子的漂移运动增强，形成反向电流，由于少数载流子数量极少，因此反向电流极小，PN结的反向电阻很大，此时PN结处于截止状态。

综上所述，PN结具有单向导电性，即PN结加正向电压时，正向电阻很小，PN结导通，可以形成较大的正向电流；PN结加反向电压时，反向电阻很大，PN结截止，形成极小的反向电流，基本为零。