1.1　半导体基本知识

导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。自然界中不同的物质，由于其原子结构不同，因而导电能力也各不相同。半导体的电阻率为10-3～109Ω·cm。根据导电能力的强弱，可以把物质分成导体、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，如硅、锗、砷化镓以及金属氧化物和硫化物等都是半导体。

1.1.1　本征半导体

本征半导体是化学成分纯净、物理结构完整的半导体。半导体在物理结构上有多晶体和单晶体两种形态，制造半导体器件必须使用单晶体，即整个一块半导体材料是由一个晶体组成的。制造半导体器件的半导体材料纯度要求很高，要达到99.9999％以上。

1.结构特点

自然界的一切物质都是由原子组成的，而原子是由带正电荷的原子核和绕核运动着的、与核电荷数相等的电子所组成的。电子分层围绕原子核做不停的旋转运动，其中内层的电子受原子核的吸引力较大，外层电子受原子核的吸引力较小，外层电子的自由度较大，因此外层的电子如果获得外来的能量，就容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。把最外层的电子称为价电子。在电子器件中，用得最多的半导体材料是硅和锗，它们的原子结构如图1-1所示。硅和锗都是四价元素，其原子最外层轨道上都具有4个价电子。

价电子的数目越接近8个，物质的化学结构也就越稳固。对于金属材料，其价电子一般较少，因此金属中的价电子很容易变成自由电子，所以金属是良导体；对于单质绝缘体，其价电子数一般多于4个，因此绝缘体中的价电子均被原子核牢牢地吸引着，很难形成自由电子，所以不能导电；对于半导体来说，原子的价电子数为4个，其原子的外层电子既不像金属那样容易挣脱出来，也不像绝缘体那样被原子核紧紧束缚住，因此半导体的导电性能就比较特殊，具备可变性。

当硅或锗被制成单晶体时，其原子有序排列，每个原子最外层的4个价电子不仅受自身原子核的束缚，而且还与周围相邻的4个原子发生联系。这时，每两个相邻原子之间都共用一对电子，使相邻两原子紧密地连在一起，形成共价键结构，如图1-2所示。

2.半导体的导电机理

当本征半导体的温度升高或受到光线照射时，其共价键中的价电子就从外界获得能量。由于半导体原子外层的电子不像绝缘体那样被原子核紧紧地束缚着，因此就有少量的价电子在获得足够能量后，挣脱原子核的束缚而成为自由电子，同时在原来共价键上留下了相同数量的空位，这种现象称为本征激发。在本征半导体中，每激发出来一个自由电子，就必然在共价键上留下一个空位，把该空位称为空穴，由于空穴失去电子，因而带正电。可见自由电子和空穴总是成对出现的，称之为电子—空穴对，如图1-3所示。

在产生电子空穴对的同时，有的自由电子在杂乱的热运动中又会不断地与空穴相遇，重新结合，使电子空穴对消失，这称为复合。在一定温度下载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的，载流子的浓度是一定的。在常温下，本征半导体受热激发所产生的自由电子和空穴数量很少，同时本征半导体的导电能力远小于导体的导电能力，导电能力很差。温度越高，所产生的电子空穴对也越多，半导体的导电能力也就越强。

在外电场的作用下，一方面自由电子产生定向移动，形成电子电流；另一方面价电子也按一定方向依次填补空穴，即空穴流在键位上产生移动，形成空穴电流。

由于电子和空穴所带电荷的极性相反，它们的运动方向也是相反的，因此形成的电流方向是一致的，流过外电路的电流等于两者之和。

综上所述，在半导体中不仅有自由电子一种载流子，而且还有另一种载流子——空穴。这是半导体导电的一个重要特性。在本征半导体内，自由电子和空穴总是成对出现的，任何时候本征半导体中的自由电子数和空穴数总是相等的。

1.1.2　杂质半导体

本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征半导体内载流子的浓度很低，所以导电能力很差。在本征半导体中，人为有控制地掺入某种微量杂质，即可大大改变它的导电性能。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。按照掺入杂质的不同，可获得N型和P型两种掺杂半导体。

1.P型半导体

在本征半导体（硅或锗的晶体）中掺入三价元素杂质，如硼、镓、铟等，因杂质原子的最外层只有3个价电子，它与周围硅（锗）原子组成共价键时，缺少一个电子，于是在晶体中便产生一个空位。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子，形成空穴，如图1-4（a）所示。

这样，掺入硼杂质的硅半导体中就具有数量相当的空穴，空穴浓度远大于电子浓度，这种半导体主要靠空穴导电，称为P型半导体。

掺入的三价杂质原子，因在硅晶体中接受电子，故称为受主杂质。受主杂质都变成了负离子，它们被固定在晶格中不能移动，也不参与导电，如图1-4（b）所示。此外，在P型半导体中由于热运动还产生少量的电子空穴对。总之，在P型半导体中，不但有数量很多的空穴，而且还有少量的自由电子存在，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

2.N型半导体

在本征半导体中掺入五价元素杂质，如磷、锑、砷等。掺入的磷原子取代了某处硅原子的位置，它同相邻的4个硅原子组成共价键时，多出了一个电子，这个电子不受共价键的束缚，因此在常温下有足够的能量使它成为自由电子，如图1-5所示。这样，掺入杂质的硅半导体就具有相当数量的自由电子，且自由电子的浓度远大于空穴的浓度。显然，这种掺杂半导体主要靠电子导电，称为N型半导体。

由于掺入的五价杂质原子可提供自由电子，故称为施主杂质。每个施主原子给出一个自由电子后都带上一个正电荷，因此杂质原子都变成正离子，它们被固定在晶格中不能移动，也不参与导电。

此外，在N型半导体中热运动也会产生少量的电子空穴对。总之，在N型半导体中，不但有数量很多的自由电子，而且也有少量的空穴存在，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

必须指出，虽然N型半导体中有大量带负电的自由电子，P型半导体中有大量带正电的空穴，但是由于带有相反极性电荷的杂质离子的平衡作用，无论N型半导体还是P型半导体，对外表现都是电中性的。

3.半导体的其他主要特性

（1）热敏性。半导体对温度很敏感。例如纯锗，温度每升高10℃，它的电阻率就会减小到原来的一半。由于半导体的电阻对温度变化的反应灵敏，而且大都具有负的电阻温度系数，所以就把它制成了各种自动控制装置中常用的热敏电阻传感器和能迅速测量物体温度变化的半导体点温计等。

（2）光敏性。与金属不同，半导体对光和其他射线都很敏感。例如，一种硫化镉半导体材料，在没有光照射时，电阻高达几十兆欧；受到光照射时，电阻可降到几十千欧，两者相差上千倍。

利用半导体的这种光敏特性可以制成光敏电阻器、光电二极管、光电三极管及太阳能电池等。

1.1.3　PN结及其特性

单纯的P型或N型半导体仅仅是导电能力增强了，但还不具备半导体器件所要求的各种特性。

如果通过一定的生产工艺把一块P型半导体和一块N型半导体结合在一起，则它们的交界处就会形成PN结，这是构成各种半导体器件的基础。

1.PN结的形成

当P型半导体和N型半导体通过一定的工艺结合在一起时，由于P型半导体的空穴浓度高，自由电子浓度低，而N型半导体的自由电子浓度高，空穴浓度低，所以交界面附近两侧的载流子形成了浓度差。浓度差将引起多数载流子的扩散运动，如图1-6（a）所示。

有一些自由电子要从N区向P区扩散，并与P区的空穴复合；也有一些空穴要从P区向N区扩散，并与N区的自由电子复合。由于自由电子和空穴都是带电的，因此扩散的结果就使P型半导体和N型半导体原来保持的电中性被破坏。P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子；N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。半导体中的离子虽然也带电，但由于物质结构的关系，它们不能任意移动，因此并不参与导电。这些不能移动的带电粒子集中在P区和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是PN结。PN结具有阻碍载流子扩散的特性，PN结的空间电荷区内的载流子浓度已减小到耗尽程度，因此又称耗尽层。

空间电荷形成了一个由右侧指向左侧的内电场，如图1-6（b）所示。内电场的这种方向，将对载流子的运动带来两种影响：一是内电场阻碍两区多子的扩散运动；二是内电场在电场力的作用下使P区和N区的少子产生与扩散方向相反的漂移运动。

PN结形成的最初阶段，载流子的扩散运动占优势，随着空间电荷区的建立，内电场逐渐增强，载流子的漂移运动也在加强，最终漂移运动将与扩散运动达到动态平衡。

2.PN结的单向导电性

PN结上外加电压的方式通常称为偏置方式，如果在PN结上加正向电压（又称正向偏置），即P区接电源正极，N区接电源负极，如图1-7（a）所示，这时电源产生的外电场与PN结的内电场方向相反，内电场被削弱，使空间电荷区变窄，多子的扩散运动大于漂移运动，形成较大的扩散电流，即正向电流。这时PN结的正向电阻很低，处于正向导通状态。正向导通时，外部电源不断向半导体供给电荷，使电流得以维持。

如果给PN结加反向电压（又称反向偏置），即N区接电源正极，P区接电源负极，如图1-7（b）所示，这时外电场与内电场方向一致，增强了内电场，使空间电荷区变宽。

空间电荷区变宽削弱了多子的扩散运动，增强了少子的漂移运动，从而形成微小的漂移电流，即反向电流。这时PN结呈现的电阻很高，处于反向截止状态。反向电流由少子漂移运动形成，少子的数量随温度升高而增多，所以温度对反向电流的影响很大。在一定温度下，反向电流不仅很小，而且基本上不随外加反向电压变化，故称其为反向饱和电流。

由此可见，PN结在正向电压作用下，电阻很小，PN结导通，电流可顺利流过；而在反向电压作用下，电阻很大，PN结截止，阻止电流通过。这种现象称为PN结的单向导电性。

1.1.4　几个电路基本定律

在学习半导体器件之前，有必要简单温习一下在电工基础课程里面讲到的几个基本定律。

1.欧姆定律

对一段电路，不含电动势，只含有电阻的一段电路，若U与I参考方向一致，则欧姆定律可表示为

U=IR　或　

换言之，导体中的电流跟导体两端电压成正比，跟导体的电阻成反比。

对一个简单的闭合电路，RL为负载电阻，R0为电源内阻，E为电源，若略去导线电阻不计，则此段电路可用欧姆定律表示为

电阻不同的两导体并联：电阻较大的通过的电流较小，通过电流较大的导体电阻小。

电阻不同的两导体串联：电阻较大的两端电压较大，两端电压较小的导体电阻较小。

2.基尔霍夫电流定律（KCL）

在电路中，任何时刻对于任一节点而言，流入节点电流之和等于流出节点电流之和，即

∑II=∑IO

例如，I1+I2=I3。或描述为，假设进入某节点的电流为正值，离开这节点的电流为负值，则所有涉及这节点的电流的代数和等于零。

3.基尔霍夫电压定律（KVL）

在电路中，任何时刻沿任一回路绕行一周，回路中所有电压的代数和等于0，即

∑U=0

应用KVL时，先假定绕行方向，当电压的参考方向与绕行方向一致时，则此电压取正号；反之，取负号。例如沿某回路，有E1-E2-I1R1+I2R2=0。

KVL原是适用于回路的，也可以把它推广运用于电路的任一开口电路。

还有一些电路基本定理和理论都应复习一下，掌握它们对学好本课程至关重要。