1.1 半导体基础知识

自然界中的物质根据导电性能的不同可分为导体、绝缘体和半导体三大类。通常将金、银、铜、铝等极易导电的物质称为导体，将塑料、橡胶、陶瓷等很难导电的物质称为绝缘体，将硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。半导体应用广泛，可以用来制造各种电子元器件。半导体的导电性能是由原子结构决定的，并且半导体的导电能力很大程度上受到温度、光照和杂质含量的影响。下面简单介绍半导体内部结构和导电原理。

1.1.1 本征半导体

完全纯净的具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。以目前应用最为广泛的四价元素硅为例，纯净的硅晶体中硅原子在空间排列成规则的晶格，每个硅原子都与相邻的四个硅原子结合，其立体结构图和平面示意图分别如图1-1a和图1-1b所示。原子最外层轨道上的电子通常称为价电子。可见，两个相邻硅原子共用一对价电子组成共价键结构。

共价键的束缚力很强，在绝对零度且无外界激发的条件下，价电子被束缚在共价键中，晶体中没有自由电子，本征半导体如同绝缘体一样不能导电。常温下，当温度升高或受到光照，被束缚的价电子会获得足够的能量而挣脱共价键的束缚成为自由电子，这种现象称为本征激发，又称热激发。此时，自由电子数量较少，因此本征半导体的导电能力比较弱。

如图1-2所示，当电子挣脱共价键成为自由电子后，共价键中会留下一个空位，这个空位称为空穴。空穴会吸引相邻原子的价电子，填补到该空穴上，同时相邻原子共价键中产生另一个空穴又会吸引其他价电子来填补，价电子依次填补空穴的运动轨迹如虚线方向所示。从电荷平衡的角度，原子失去带负电的价电子，产生的空穴可视为带正电荷的粒子，空穴所带电荷量与电子相等、极性相反。带负电的价电子的移动可视为带正电的空穴反向移动，空穴运动轨迹如实线所示。自由电子和空穴均是能够自由移动的带电粒子，统称为载流子。

一方面，随着本征激发的进行，本征半导体中自由电子和空穴不断地成对产生。另一方面，自由电子填补空穴变为价电子，自由电子和空穴同时消失，这种现象称为复合。当环境温度不变时，本征激发和复合将达到动态平衡状态，自由电子和空穴的浓度相等并保持恒定。当环境温度升高时，本征激发加剧，载流子的浓度升高，导电能力增强；反之，当温度降低时，载流子浓度降低，导电能力减弱。

1.1.2 杂质半导体

本征半导体中自由电子和空穴两种载流子是由本征激发产生的，浓度很低，因此本征半导体的导电能力很差。如果在本征半导体中掺入微量的某种杂质，成为杂质半导体，其导电能力会发生显著变化。杂质半导体中两种载流子的浓度是不相等的，其中，浓度高的载流子称为多数载流子，简称多子；浓度低的载流子称为少数载流子，简称少子。根据掺入杂质元素的不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体。

1.N型半导体

通过某种工艺手段，将磷（P）等五价元素杂质掺入硅晶体中，磷原子将取代晶格中某些位置上的硅原子，如图1-3a所示。因为磷原子最外层有五个价电子，除了与周围四个硅原子形成共价键外，多余的一个价电子容易因本征激发成为自由电子。由于磷原子在产生自由电子的同时并不产生空穴，而是磷原子变为带正电的磷离子，因此每掺入一个磷原子就相当于释放一个自由电子。同时半导体中本征激发会产生少量的自由电子和空穴对。那么掺入五价杂质后，半导体中的自由电子的数量将远大于空穴数量，这种杂质半导体称为N型半导体或电子型半导体。在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子。

2.P型半导体

如图1-3b所示，将硼（B）等三价元素掺入硅晶体中，硼原子最外层因缺少一个价电子，与相邻的硅原子形成共价键时，会缺少一个电子产生一个空位。这个空位被周围硅原子的价电子填补后，硼原子成为带负电的硼离子，周围硅原子的价电子的位置上会产生一个空穴。由于硼原子在产生空穴时并不产生自由电子，因此每掺入一个硼原子就相当于释放一个空穴。那么掺入三价杂质后，半导体中的空穴数量远大于自由电子数量，这种杂质半导体称为P型半导体或空穴型半导体。在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。

可见，杂质半导体的多子浓度主要取决于掺入杂质的浓度，掺杂浓度越高，多子浓度就越高，导电能力越强。杂质半导体中的少子，是本征热激发产生的，尽管浓度很低，却对温度非常敏感；当温度改变时，少子浓度将发生显著变化，直接对半导体器件的性能造成影响。

1.1.3 PN结的形成及特性

1.PN结的形成

在一块本征半导体上，同时制作P型半导体和N型半导体，在其交界区域，P型半导体中的多子（空穴）和N型半导体中的多子（自由电子）都会因浓度差而向对方区域进行扩散运动，如图1-4a所示。这些载流子一旦越过交界面就会复合，导致交界面附近只留下了不能移动的正、负杂质离子，如图1-4b所示。那么这些带电荷的离子形成了空间电荷区，即PN结。PN结是各种半导体器件的核心基础。

随着扩散运动的进行，空间电荷区不断加宽，其内部形成一个方向由N区指向P区的内电场。内电场将阻碍两侧多子的扩散运动，却又增强少子向对方区域的漂移运动。扩散运动产生的电流称为扩散电流，漂移运动产生的电流称为漂移电流，当两种载流子运动达到动态平衡时，扩散电流和漂移电流将相互抵消，使流过PN结的净电流为零，空间电荷区（PN结）的宽度便稳定下来。一般空间电荷区很薄，宽度约为几微米到几十微米。

2.PN结的单向导电性

如果在PN结两端施加外部电压，原有的平衡状态将被打破，并且不同的外部电压偏置，PN结会有不同的变化。

当P区接高电位、N区接低电位时，称PN结外加正向电压或PN结正向偏置，如图1-5a所示。此时外电场将两侧多子推向空间电荷区，中和了内部的正、负杂质离子，使得PN结变窄，扩散运动加强，漂移运动减弱，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I，方向从P区流向N区，称PN结导通。由于PN结的导通结电压降较小，因此电路中串接一个小的限流电阻R，防止PN结因正向电流过大而损坏。

当P区接低电位、N区接高电位时，称PN结外加反向电压或PN结反向偏置，如图1-5b所示。此时外电场使得两侧多子远离空间电荷区，空间电荷区变宽，内电场加强，因此扩散运动减弱而漂移运动加强，形成反向电流I_S，I_S称为反向饱和电流。由于少子是本征激发产生的，数目极少，所形成的反向电流也非常小，故称PN结截止。

由此可见，PN结正向偏置时，PN结导通，其正向电阻很小，称为正向导通；PN结反向偏置时，PN结截止，反向电阻很大，称为反向截止。这就是PN结的单向导电性。各种半导体器件的工作原理都是以PN结的单向导电性为基础。