1.1 半导体的特性
在物理学中已知，自然界的各种物质，根据其导电能力的差别，可分为导体、绝缘体、半导体三大类。物质的导电性能决定于原子结构的最外层电子，导体一般为低价元素，它们的最外层电子极容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，并在外电场的作用下产生定向移动，形成电流；高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），它们的最外层电子所受的原子核束缚力很强，很难成为自由电子，所以这些物质的导电性能很差，是绝缘体。而半导体一般为四价元素的物质，例如硅、锗。硅和锗的原子序数分别为14和32。但它们有一个共同点，即原子最外层的轨道上均有4个价电子，所以称它们为四价元素。硅（锗）的原子在空间排列成规则的晶格，结构为晶体结构。它们最外层的价电子之间以共价键的形式结合起来，结构比较稳定，共价键结构示意图如图1.1所示。
图1.1 晶体中的共价键结构示意图
半导体其导电能力介于导体和绝缘体之间，而且其导电能力在外界其他因素的作用下会发生显著的变化。例如，半导体中加入杂质（称为“掺杂”）后其导电能力（电导率）发生明显的变化，各种不同器件的制作，正是利用了掺杂来改变和控制半导体的电导率；温度的变化也会使半导体的电导率发生变化，利用这种热敏效应，可以制作出热敏元件，但热敏效应也会使半导体器件的热稳定性下降；光照也可以改变半导体的电导率，利用这种光电效应，可以制作出光电二极管、光电三极管、光电耦合器和光电电池等。
归纳
半导体具有掺杂性、热敏性和光敏性3个特性。
1.1.1 本征半导体
纯净的、不含其他杂质的半导体称为本征半导体。本征半导体在热力学温度T=0K（相当于-273℃）时不导电，如同绝缘体一样。本征半导体在环境温度升高或光照的作用下，将有少数价电子获得足够的能量，以克服共价键的束缚而成为自由电子。在没有外加电场时自由电子做无规则的运动。价电子离开共价键后，在该共价键处留下一个空位，这种带正电荷的空位称为“空穴”。在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的，即自由电子与空穴数目相等，如图1.2所示。相邻共价键中的价电子可以在获得能量后移至有空穴的共价键，并在原来的位置上产生一个新的空穴。这种新的空穴可以在外加电场作用下运动，价电子运动填补一个空穴后，在原来所处位置上产生一个新的空穴，空穴运动的方向与价电子运动的方向相反。在没有外加电场时，如同自由电子一样，空穴在晶体中也做无规则的运动，对外部不显现电流。
图1.2 本征半导体结构示意图
当有外加电场时，自由电子和空穴都在电场的作用下做定向运动：自由电子带负电逆电场方向而运动，而空穴带正电表现为顺电场方向而运动。这种定向运动叠加在原来的无规则运动上，对外部显现电流。自由电子和空穴都是载运电流的粒子，统称为载流子。将自由电子移动形成的导电现象简称为电子导电，而将空穴移动形成的导电现象简称为空穴导电。
不难看出，在本征半导体中自由电子与空穴总是成对出现的，成为电子-空穴对。本征半导体具有一定的导电能力，但因其自由电子的数量很少，所以导电能力很弱。产生电子-空穴对的物理现象称为激发，激发数目的多少与温度有关。在实际的半导体中，除了产生电子-空穴对以外，还存在一个逆过程。这就是自由电子也会释放能量而进入有空穴的共价键，同时消失一个自由电子和空穴，这种现象称为复合。当温度一定时，激发与复合的数量相等，维持动态平衡。
1.1.2 杂质半导体
本征半导体中虽然存在着两种载流子，但因本征半导体载流子的浓度很低，所以它的导电能力很差。但是在本征半导体中掺入某种特定的杂质后，其导电性能将发生质的变化。利用这一特性，可以制成各种性能的半导体器件。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质性质的不同，可以分为电子型半导体和空穴型半导体。载流子以电子为主的半导体称为电子型半导体或N型半导体；载流子以空穴为主的半导体称为空穴型半导体或P型半导体。
1. N型半导体
在本征半导体（四价元素硅或锗的晶体）中掺入少量的五价杂质元素，如磷、锑和砷等，则原来晶格中的某些硅原子将被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有5个价电子，因此，它与周围4个硅原子组成共价键时多余一个电子。这个电子不受共价键束缚，而只受自身原子核的吸引。这种束缚力比较微弱，因此，只需较小的能量便可激发使其成为自由电子（如在室温下即可成为自由电子），如图1.3所示。因为五价杂质原子可以提供电子，所以称为“施主原子”或“施主杂质”。五价原子提供一个电子（成为自由电子）后，本身因失去电子而成为正离子，但并不产生新的空穴，因为五价原子周围的共价键中没有空穴，这与本征半导体成对产生载流子的原理有所不同。
图1.3 N型半导体结构示意图
在这种杂质半导体中，除了由本征激发产生电子-空穴对外，还有五价原子提供的大量自由电子，因而自由电子的浓度将大大高于空穴的浓度，所以主要依靠电子导电，故称为电子型半导体或N型半导体。N型半导体中的自由电子称为“多数载流子”（简称“多子”），而其中的空穴称为“少数载流子”（简称“少子”）。
2. P型半导体
在本征半导体中掺入少量的三价杂质元素，如硼、锡和铟等，可以形成P型半导体。此时杂质原子的最外层有3个价电子，因此，它与周围4个硅原子组成共价键时，由于缺少一个电子而形成空穴，如图1.4所示。因为三价杂质原子提供一个空穴而可以接受一个电子，所以称为“受主原子”或“受主杂质”。在这种杂质半导体中，空穴的浓度将大大高于自由电子的浓度。因主要依靠空穴导电，故称为空穴型半导体或P型半导体。P型半导体中的空穴称为“多数载流子”（简称“多子”），而其中的自由电子称为“少数载流子”（简称“少子”）。
图1.4 P型半导体结构示意图
提示
在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度；而少数载流子浓度主要取决于温度。
对于杂质半导体来说，无论是N型半导体或P型半导体，从总体上看，仍然保持着电中性。以后，为简单起见，通常只画出其中的正离子和等量的自由电子来表示N型半导体；同样，只画出负离子和等量的空穴来表示P型半导体，杂质半导体（N型、P型）的简化表示方法分别如图1.5（a）和（b）所示。
图1.5 杂质半导体的简化表示法
总之，在纯净的半导体中掺入杂质以后，其导电性能将大大改善。例如，在四价的硅原子中掺入百万分之一的三价杂质硼原子后，在室温时的电阻率与本征半导体相比，将下降到五十万分之一，可见导电能力大大提高了。当然，仅仅提高导电能力不是最终目的，因为导体的导电能力更强。
归纳
杂质半导体的奇妙之处在于，掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体和N型半导体采用不同的方式组合，可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件。
1.1.3 PN结的形成
将P型半导体与N型半导体在保证晶格连续的情况下结合在一起，在其交界面形成一个具有特殊导电性能的区域-PN结。PN结是构造半导体器件的基本单元。
半导体内的电流就其实质来说，和导体中的电流一样，都是电子在移动。但半导体中电子的移动比导体要复杂得多。首先，导体中只有自由电子导电，而半导体中，除了自由电子形成电流外，还有空穴运动形成电流。其次，导体中是自由电子在电场作用下运动产生电流，而在半导体中有两种运动产生电流。
在P型半导体和N型半导体交界面两侧，电子和空穴的浓度截然不同，P型区内空穴浓度远远大于N型区，N型区内电子浓度远远大于P型区。由于存在浓度差，所以P型区内空穴向N型区扩散，N型区内电子向P型区扩散。这种由于存在浓度差引起的载流子从高浓度区域向低浓度区域的运动称为扩散运动，所形成的电流称为扩散电流。
P型区的空穴向N型区扩散并与N型区的电子复合，N型区的电子向P型区扩散并与P型区的空穴复合。P型区一边失去空穴，留下了带负电的“受主杂质离子”；N型区一边失去电子，留下了带正电的“施主杂质离子”。这些带电的杂质离子，由于物质结构的关系，不能随意移动，不参与导电。因而在交界面附近出现了带电离子集中的薄层，称为空间电荷层，又称耗尽层或阻挡层，如图1.6所示。空间电荷区的左半部是带负电的杂质离子，右半部是带正电的杂质离子，从而在空间电荷区中就形成了一个由N型区指向P型区的内建电场，称为内电场。在内电场的作用下，N型区中的“少子”空穴向P型区漂移，P型区中的“少子”电子向N型区漂移。载流子在内电场作用下的这种运动称为漂移运动，所形成的电流称为漂移电流。
图1.6 PN结的形成
归纳
在半导体PN结中进行着两种载流子运动，即多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动，而两种运动相互制约，最终两种载流子运动达到动态平衡。达到动态平衡后的PN结，内建电场的方向由N型区指向P型区，说明N型区的电位比P型区高，这个电位差称为电位势垒UD（又称“导通电压”或“死区电压”）。电位势垒与材料有关，硅材料约为0.6～0.8V，锗材料约为0.2～0.3V。
1.1.4 PN结的单向导电性
假设在PN结加上一个正向电压，即电源的正极接P型区，电源的负极接N型区。PN结的这种接法称为正向接法或称正向偏置（简称正偏）。
正向接法时，外电场的方向与PN结中内电场的方向相反，因而削弱了内电场。此时，在外电场的作用下，P型区中的空穴向右移动，与空间电荷区内的一部分负离子中和；N型区中的电子向左移动，与空间电荷区内的一部分正离子中和。结果，由于多子移向了耗尽层，使空间电荷区的宽度变窄，于是电位势垒也随之降低，这将有利于多数载流子的扩散运动，而不利于少数载流子的漂移运动。因此，回路中的扩散电流将大大超过漂移电流，最后形成一个较大的正向电流，其方向在PN结中是从P型区流向N型区。
正向偏置时，只要在PN结两端加上一定的正向电压（大于电位势垒），即可得到较大的正向电流。为了防止回路中电流过大，一般可接入一个电阻。
假设在PN结上加上一个反向电压，即电源的正极接N型区，而电源的负极接P型区，这种接法称为反向接法或反向偏置（简称反偏）。
反向接法时，外电场的方向与PN结中内电场的方向一致，因而增强了内电场的作用。此时，外电场使P型区中的空穴和N型区中的电子各自向着远离耗尽层的方向移动，从而使空间电荷区变宽，同时电位势垒也随之增高，其结果将不利于多数载流子的扩散运动，而有利于少数载流子的漂移运动。因此，漂移电流将超过扩散电流，于是在回路中形成一个基本上由少数载流子运动产生的反向电流，方向在PN结中是从N型区流向P型区。因为少数载流子的浓度很低，所以反向电流的数值非常小。在一定温度下，当外加反向电压超过某个值（大约零点几伏）后，反向电流将不再随着外加反向电压的增加而增大，所以又称为反向饱和电流，通常用符号IS表示。正因为反向饱和电流是由少数载流子产生的，所以对温度十分敏感。随着温度的升高，IS将急剧增大。
归纳
当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中的反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。可见，PN结具有单向导电性。
思考题
1.本征半导体中有几种载流子？其浓度与什么有关？
2. P型半导体和N型半导体是如何形成的？
3.本征半导体和杂质半导体存在哪些差别？
4.什么是扩散运动和漂移运动？PN结的正向电流和反向电流是何种运动的结果？
5.什么是PN结？PN结是如何形成的？如何理解PN结的单向导电性？