1.1 半导体基本知识

自然界的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。电子系统应用所有的这三类材料，但半导体材料在其中起着根本性的作用。

极易导电、电导率大于10⁴S·cm^-1的物质称为导体，例如铝、金、钨、铜等。物质的导电性能是由其原子结构决定的，导体一般为低价元素，其最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。像自由电子这种能够自由移动的带电粒子称为载流子。导体之所以导电性能极佳，正是因为其内部存在大量载流子，当施加外电场时，载流子将在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。

很难导电、电导率小于10^-10S·cm^-1的物质称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等。绝缘体一般为高价元素，其最外层电子受原子核束缚力极强，很难成为自由电子。由于所含载流子的数量极少，所以绝缘体的导电性能极差。

导电能力介于导体和绝缘体之间、电导率在10^-9～10³S·cm^-1范围内的物质称为半导体。以目前应用最广的四价元素硅（Si）为例，它的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那么被原子核紧紧束缚，所以形成的载流子的数量介于两者之间，并且很大程度上还受到温度、光照和杂质含量的影响。

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。

1.晶格与单晶

以硅半导体为例。将硅提纯结晶后，每个硅原子都与周围最近邻的四个硅原子牢固地结合，它们都处于正四面体的顶角位置，从而构成所谓的金刚石结构，如图1-1a所示。

这种反映原子排列规律的三维结构称为晶格，每个硅原子都位于晶格上，不能随意移动。如果某一固态物体是由单一的晶格连续组成的，就称为单晶。图1-1a所示即为单晶硅。

2.自由电子与空穴

图1-1b所示为单晶硅的等效二维结构。每个硅原子的最外层都有4个电子，称为价电子。价电子受到自身原子核和相邻原子核的双重吸引，其结果是每个硅原子都和相邻的4个硅原子共用4对价电子，形成4对共价键。共价键具有很强的结合力，常温下仅有极少数的价电子能够通过热运动获得足够的能量，从而挣脱共价键的束缚，成为自由电子；这时相应的共价键中会留下一个空位，称为空穴。以上过程称为本征激发，又称热激发。

除自由电子外，空穴可以被看作带正电的载流子。这是因为：每个空穴可视为带一个单位的正电荷，表示原子本身因热激发而失去一个价电子后带一个单位的正电荷，并且空穴可以自由运动。如图1-2所示，空穴对周围的价电子具有“吸引力”，价电子移动到该空穴上所需要的能量远小于打破其所处共价键成为自由电子需要的能量，所以空穴容易“捕获”附近的价电子而造成“空穴搬家”现象，移动到新位置的空穴继续“捕获”其他价电子，这个过程持续下去，从效果上看，价电子（负极性）随机填补空穴的运动，就相当于该空穴（正极性）反方向的自由运动。图1-2中虚线箭头表示价电子轨迹，实线箭头表示空穴轨迹。

3.温度的影响

随着本征激发的进行，自由电子和空穴不断地成对产生。如果两者相遇，自由电子就会填补空穴，变为价电子，于是自由电子和空穴同时消失，称为复合。如果环境温度不变，热激发和复合将达到动态平衡，自由电子和空穴两种载流子的浓度相等并保持稳定；当温度升高时，热激发加剧，载流子浓度增大，导电能力增强；温度降低时，载流子浓度减小，导电能力减弱。这个特性称为半导体的热敏性；而光照也可以令半导体的导电能力发生类似的变化，称为半导体的光敏性。

1.1.2 杂质半导体

在本征半导体中人为地添加合适的杂质元素，便可得到杂质半导体。杂质含量对半导体电气特性的影响非常显著，通过严格控制杂质含量，可以精确控制杂质半导体的导电性能。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。杂质半导体内部的载流子为何会有多子和少子之分呢？

1.N型半导体

如图1-3a所示，将磷（P）、锑（Sb）、砷（As）等五价元素作为杂质掺入单晶硅中，磷原子将取代晶格中某些位置上的硅原子，但其最外层共有5个价电子，除了与周围4个硅原子形成共价键外，多余的那个价电子很容易因热激发而成为自由电子，磷原子相应地变为磷离子（带正电）。由于磷原子在生成自由电子的同时并不生成空穴，因此每掺入一个磷原子就相当于释放一个自由电子，使得自由电子数量远大于空穴数量，自由电子成为多数载流子。这种五价掺杂、以自由电子为多子的杂质半导体称为N型半导体（N代表Negative）。

2.P型半导体

如图1-3b所示，将硼（B）、铟（In）、镓（Ga）等三价元素掺入单晶硅中，取代硅原子的硼原子因最外层缺少一个价电子，与第4个相邻的硅原子就不能形成完整的共价键，出现一个空穴，这个空穴很容易“捕获”周围的价电子来填补，形成“空穴搬家”现象，硼原子也相应地成为硼离子（带负电）。由于硼原子在产生空穴的同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，使得空穴数量远大于自由电子数量，空穴成为多数载流子。这种三价掺杂、以空穴为多子的杂质半导体就称为P型半导体（P代表Positive）。

3.温度的影响

综上所述，杂质半导体的掺杂浓度越高，意味着多子浓度越高，导电能力越强，这个特性称为半导体的掺杂性。不过，杂质半导体中还存在着因热激发产生的少子，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

PN结是各种半导体器件的核心基础。所谓PN结，是指P型半导体和N型半导体的交界区域。

1.PN结的形成

如图1-4a所示，在P型半导体和N型半导体的交界面，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）会因浓度差而向对方区域运动，称为扩散运动；交界面两侧就留下了由不能移动的正、负杂质离子构成的空间电荷区，即PN结。

随着扩散运动的进行，空间电荷区不断加宽，其内部将产生一个方向从N区指向P区的内建电场。显然，这个内建电场会反过来阻碍两侧多子的扩散运动，却又吸引两侧少子向对方区域定向移动，称为漂移运动。于是，扩散运动逐渐减弱，漂移运动逐渐加强，当两者达到动态平衡时，空间电荷区（PN结）的宽度便不再增加。由于上述两种运动所形成的电流方向相反，最终扩散电流和漂移电流相互抵消，使得流过PN结的净电流为零。室温下，硅材料PN结内建电场的电位差约为0.5～0.7V；锗材料约为0.2～0.3V。

2.PN结的单向导电性

如果在PN结两端施加外部电压，上述动态平衡就被打破了。

（1）PN结正向偏置

如图1-4b所示，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。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PN结变得极窄，多子的扩散运动大大占优，在电源电压作用下，扩散运动将连续不断地进行，形成回路电流。这个在PN结正向偏置时形成的电流称为正向电流，由于PN结的导通结电压降只有零点几伏，因此必须串接限流电阻R，以防止PN结因正向电流过大而损坏。

（2）PN结反向偏置

如图1-4c所示，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。此时外电场使得两侧多子远离空间电荷区，从而留下更多的正、负杂质离子，PN结加宽，少子的漂移运动占优，两侧少子可以顺利地穿越变宽了的PN结，形成回路电流。这个在PN结反向偏置时形成的电流称为反向电流，但由于少子的数目极少，即使施加很大的反向电压令所有的少子都参与漂移运动，反向电流也非常小，因此又称为反向饱和电流，记作I_S。在实际工程计算中，I_S经常忽略不计。

（3）PN结的单向导电性

正向偏置时，PN结的结电压很小，结电流得以通过，称为正向导通；反向偏置时，PN结上流过的结电流近似为零，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的。