1.1.1 半导体的基础知识

在自然界中，物质根据电阻率的大小被分为3类。电阻率为10-6～10-3Ω·cm的称为导体，如钢、银、铝和铁等；电阻率为10-3～108Ω·cm的称为半导体，如锗、硅、砷化镓及大多数的金属氧化物和金属硫化物；电阻率为108～1020Ω·cm的称为绝缘体，如玻璃、橡胶和塑料等。半导体具有热敏特性、光敏特性，也可以掺入杂质，使之具有多种特性。利用半导体的光敏性可制成光电二极管、光电晶体管及光敏电阻等；利用半导体的热敏特性可制成各种热敏电阻；利用半导体的掺杂特性可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件，如二极管、晶体管、场效应晶体管等。另外，半导体材料具有很强的光生伏特效应（简称光伏效应）。所谓光伏效应是指物体吸收光能后，其内部能传导电流的载流子的分布状态和浓度会发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。太阳能电池就是利用半导体材料的光伏效应，把光能直接转化成电能的。

1.共价键结构

在电子元器件中，使用最多的材料是硅和锗，硅和锗都是4价元素，其原子的最外层有4个电子，称为价电子。每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚，而且会分别与周围相邻的4个原子发生联系：它们一方面围绕自身的原子核运动，另一方面也时常出现在相邻原子的最外层电子轨道上。这样，相邻的原子就被共有的价电子联系在一起，称为共价键结构，如图1-1所示。

2.本征半导体

纯净的半导体称为本征半导体。在温度为0K（相当于-273.15℃）时，每一个原子的价电子均被共价键所束缚，不能自由移动。这样，本征半导体中虽有大量的价电子，但没有自由电子，此时半导体是不导电的。在温度升高或受到光辐射时，半导体共价键中的价电子并不像绝缘体共价键中的价电子那样依然无法自由移动，当半导体的价电子从外界获得一定的能量后，其中少数价电子便可挣脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位，称为空穴，如图1-2所示。此时原子因失掉价电子成为阳离子而带正电，或者也可以说空穴带正电。如果有一个自由电子从共价键中释放出来，就必定留下一个空穴。所以本征半导体中自由电子和空穴总是成对地出现，称为电子-空穴对。

一旦出现空穴，附近共价键中的价电子就能比较容易地填补进来，而在这个价电子原来的位置上就会出现一个新的空穴，其他价电子又可转移到这个新的空穴上。就这样不断填补，相当于空穴在运动一样。为了与自由电子的运动区别开来，把这种价电子的填补运动称为空穴运动。因此也可将空穴看成一种带正电的载流子，它所带的电荷量与电子相等，符号相反。由此可见，本征半导体中存在两种载流子，即自由电子和空穴。本征半导体在外加电场作用下，两种载流子的运动方向相反，而形成的电流方向相同。

在本征半导体中，自由电子与空穴是同时产生且数目相等的。自由电子在运动过程中若与空穴相遇，则会填补空穴，此时一个电子-空穴对即消失，这个过程叫作复合。在一定条件下，本征半导体中同一时刻产生的电子-空穴对和复合的电子-空穴对数量相等，达到动态平衡，而电子-空穴对也由此维持一定的数目。

导体中只有自由电子，而半导体中存在自由电子和空穴两种载流子，这也是导体与半导体导电方式的不同之处。

3.P型半导体

在本征半导体（由硅或锗制成）中掺入3价元素硼后，由于硼的价电子只有3个，它的3个价电子分别与相邻的3个硅或锗原子的价电子组成共价键后仍然缺少一个价电子，所以很容易吸引相邻硅或锗原子上的价电子而产生空穴，这就使得半导体中的空穴增多，导电能力增强，这种半导体主要依靠空穴来导电，故称为空穴型半导体或P型半导体，如图1-3所示。在P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

4.N型半导体

在本征半导体中掺入5价元素磷后，由于磷原子中有5个价电子，它们与相邻的4个硅或锗原子的价电子组成共价键后，仍留下一个剩余价电子。这个价电子不受共价键的束缚，只受自身原子核的吸引，而这种吸引比较弱，所以这个价电子在室温下就可以被激发为自由电子，同时杂质原子也变成带正电荷的阳离子。因此在这种半导体中，自由电子数远大于空穴数。由于这种半导体主要靠自由电子导电，故称为电子型半导体或N型半导体，如图1-4所示。在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

5.PN结

无论是N型半导体还是P型半导体，当它们独立存在时，对外都是呈电中性的。当将两种半导体材料连接在一起时，由于两侧的自由电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运动，由浓度高的地方向浓度低的地方扩散，即自由电子从N区向P区扩散，空穴从P区向N区扩散。扩散到P区的自由电子会与空穴复合而消失，扩散到N区的空穴也会与自由电子复合而消失。复合的结果是在交界处两侧出现了不能移动的正负两种杂质离子组成的空间电荷区，这个空间电荷区称为PN结。PN结的形成示意图如图1-5所示。由于在交界处左侧出现了阴离子区，在右侧出现了阳离子区，因此形成了一个由N区指向P区的内电场（又称为势垒电场）。内电场的产生对P区和N区中多数载流子的相互扩散运动起阻碍作用。同时，在内电场的作用下，P区中的少数载流子（自由电子）和N区中的少数载流子（空穴）则会越过交界面向对方区域运动，这种在内电场作用下少数载流子的运动称为漂移运动。漂移运动使空间电荷区重新变窄，削弱了内电场强度。多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动最终会达到平衡，使PN结的宽度确定。