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半导体

金属（例如铝、铜和银）都是很好的电导体，原子周期性规则排列。原子外层电子（价电子）可以在材料中自由移动。由于原子的数量非常大，因此自由电子的数量更是庞大（通常在10²³cm^-3的量级），即(ji)使是(shi)非常小的电(dian)(dian)场都(dou)会导致很(hen)大的电(dian)(dian)子电(dian)(dian)流-因此，金属总(zong)是(shi)呈现(xian)出很(hen)好的导电(dian)(dian)特性。

但是，绝缘体（例如(ru)二氧化硅）与导(dao)体的特性就完全个一样。在绝缘体中，价电子(zi)在邻(lin)近原子(zi)之间形成价键，从而被紧(jin)紧(jin)束缚在原子(zi)的周围。因此，绝缘体中没有可移动的自由电子(zi)，从而电导(dao)率非常低。

半(ban)导(dao)(dao)体（例(li)如硅或者锗）的(de)(de)(de)导(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)特性介(jie)于导(dao)(dao)体和绝缘体之间(jian)。在(zai)极低温时，价电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子束缚在(zai)其原(yuan)(yuan)子周(zhou)围，形成规则的(de)(de)(de)晶体。但是，随着(zhe)温度(du)升高，由于原(yuan)(yuan)予的(de)(de)(de)热扰动(dong)(dong)，一些价键(jian)断裂，电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子就(jiu)会从断裂的(de)(de)(de)价键(jian)巾逃逸出(chu)来。这(zhei)(zhei)种电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子具有导(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能力。而且，每一个(ge)逃逸的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子将在(zai)价键(jian)处留下一个(ge)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)缺(que)陷(xian)（称为空穴(xue)）。价键(jian)中的(de)(de)(de)价电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子如果与空穴(xue)邻近(jin)，就(jiu)很容易移(yi)动(dong)(dong)填(tian)入宅穴(xue)，在(zai)其原(yuan)(yuan)来的(de)(de)(de)位置留下一个(ge)新的(de)(de)(de)空穴(xue)。这(zhei)(zhei)种效(xiao)应就(jiu)像(xiang)(xiang)空穴(xue)从一个(ge)价键(jian)流向另一个(ge)位置。空穴(xue)的(de)(de)(de)“移(yi)动(dong)(dong)。方向与价电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子的(de)(de)(de)移(yi)动(dong)(dong)方向相(xiang)反，在(zai)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场中，空穴(xue)的(de)(de)(de)行(xing)为就(jiu)像(xiang)(xiang)一个(ge)正电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)。

对半导体来说，在室温下导电是可能的。但是，热运动产生的电子和空穴浓度都远小于金属中自由电子的浓度。通常情况，对于硅和锗来说，每立方厘米中的载流子数典型值分别为10¹⁰和10¹³在下面的章节中，将(jiang)主要(yao)分(fen)析(xi)目前的主流材料(liao)-硅。

在(zai)纯净(jing)的(de)(de)(de)(de)硅(gui)(gui)材料中(zhong)(zhong)(zhong)添加(jia)额外的(de)(de)(de)(de)外来粒子(zi)(zi)(zi)(zi)（掺(chan)(chan)杂(za)物）可以提高半导体(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)自由(you)载流子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)数量。硅(gui)(gui)（和锗）具有(you)四(si)个(ge)价(jia)(jia)电(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)。如果掺(chan)(chan)杂(za)物中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)有(you)五(wu)个(ge)价(jia)(jia)电(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)（例如砷、磷(lin)或者锑），将(jiang)(jiang)该(gai)材料掺(chan)(chan)杂(za)进入半导体(ti)，这些杂(za)质原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)就会(hui)占据(ju)硅(gui)(gui)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)晶格(ge)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)位置(zhi)。因(yin)(yin)此(ci)，四(si)个(ge)价(jia)(jia)电(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)都(dou)会(hui)参与形(xing)成(cheng)四(si)个(ge)价(jia)(jia)键，将(jiang)(jiang)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)与品格(ge)中(zhong)(zhong)(zhong)临近的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)绑在(zai)一(yi)起。外来杂(za)质的(de)(de)(de)(de)第五(wu)个(ge)价(jia)(jia)电(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)没有(you)任(ren)何价(jia)(jia)键束(shu)缚，可以在(zai)材料中(zhong)(zhong)(zhong)自由(you)移动，但(dan)是，这个(ge)价(jia)(jia)电(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)也可能出现(xian)存任(ren)意价(jia)(jia)键中(zhong)(zhong)(zhong)，从而脱离(li)现(xian)有(you)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)束(shu)缚，成(cheng)为自由(you)电(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)。因(yin)(yin)此(ci)，这种(zhong)杂(za)质原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)（也称(cheng)为施主原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)，因(yin)(yin)为其(qi)增(zeng)加(jia)了(le)半导体(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)自由(you)电(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)数量）可以改变材料的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)导特(te)性。

在纯净的硅材料：1，添加仪有三个价(jia)电(dian)(dian)子(zi)的杂质原(yuan)(yuan)子(zi)也(ye)可以提(ti)高半导(dao)体(ti)的电(dian)(dian)导(dao)率(lv)。每(mei)个杂质原(yuan)(yuan)子(zi)将(jiang)缺乏一个价(jia)键电(dian)(dian)了，因此，这(zhei)种原(yuan)(yuan)子(zi)就可以产(chan)牛一个空穴。这(zhei)些(xie)杂质（例如(ru)硼、铝和镓等）称为受主原(yuan)(yuan)子(zi)，因为空穴会通过接受临近半导(dao)体(ti)原(yuan)(yuan)子(zi)价(jia)键的价(jia)电(dian)(dian)子(zi)来实(shi)现移动，从(cong)而产(chan)生电(dian)(dian)流(liu)。

这(zhei)样，掺杂半导(dao)休将同时(shi)存在由于热运动形成(cheng)的载(zai)流(liu)子(zi)和施主(zhu)（或者受(shou)主(zhu)）原子(zi)。包含施主(zhu)原子(zi)的材料同时(shi)具有(you)自由电子(zi)和空(kong)穴，其电子(zi)数量多于空(kong)穴。这(zhei)种半导(dao)体也称为(wei)N型(xing)(xing)半导(dao)体，这(zhei)里N表示(shi)“Negative”（负的）。包含受(shou)主(zhu)原子(zi)的材料中，空(kong)穴为(wei)多数载(zai)流(liu)子(zi)，因此称为(wei)P型(xing)(xing)半导(dao)体，这(zhei)里P表示(shi)“Positive”（正的）。

半(ban)导(dao)体(ti)上艺也可以制造(zao)出同(tong)时(shi)包含(han)不向类(lei)型(xing)(xing)(xing)邻近区(qu)(qu)域(yu)(yu)的(de)结构（图2.1）。将两(liang)种(zhong)类(lei)型(xing)(xing)(xing)区(qu)(qu)域(yu)(yu)结合起(qi)来的(de)表面区(qu)(qu)域(yu)(yu)称为PN结。当(dang)PN结形成时(shi)，多数载(zai)流子(zi)（N型(xing)(xing)(xing)区(qu)(qu)域(yu)(yu)的(de)多子(zi)为电子(zi)，P型(xing)(xing)(xing)区(qu)(qu)域(yu)(yu)的(de)多子(zi)为空穴(xue)）的(de)随机(ji)热运(yun)动将使电了从N型(xing)(xing)(xing)区(qu)(qu)域(yu)(yu)流向P型(xing)(xing)(xing)区(qu)(qu)域(yu)(yu)。反之(zhi)，空穴(xue)将从P型(xing)(xing)(xing)区(qu)(qu)域(yu)(yu)流向N型(xing)(xing)(xing)区(qu)(qu)域(yu)(yu)。因此(ci)，这种(zhong)随机(ji)热运(yun)动（称为扩散）会使P型(xing)(xing)(xing)半(ban)导(dao)体(ti)积(ji)累负(fu)电荷，而N型(xing)(xing)(xing)半(ban)导(dao)体(ti)积(ji)累正电荷。这种(zhong)效应在PN

结的(de)(de)(de)(de)(de)接触面(mian)附近(jin)最为显著：在(zai)P型区(qu)域(yu)，带(dai)负(fu)电(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)受主(zhu)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)由于空穴的(de)(de)(de)(de)(de)引入不再(zai)呈现电(dian)(dian)中(zhong)性，而（N型区(qu)域(yu)）自由载流(liu)(liu)(liu)(liu)子(zi)(zi)(zi)个(ge)再(zai)围绕在(zai)带(dai)正电(dian)(dian)荷的(de)(de)(de)(de)(de)施主(zhu)离子(zi)(zi)(zi)附近(jin)。因此(ci)，在(zai)PN结的(de)(de)(de)(de)(de)附近(jin)，形(xing)成了固(gu)定离子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)偶极子(zi)(zi)(zi)层（图2.2）。偶极子(zi)(zi)(zi)层会(hui)产牛一(yi)个(ge)与多数载流(liu)(liu)(liu)(liu)子(zi)(zi)(zi)扩散方(fang)向相反的(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)场(chang)E，会(hui)使热(re)运动产牛的(de)(de)(de)(de)(de)少数载流(liu)(liu)(liu)(liu)子(zi)(zi)(zi)（P型区(qu)域(yu)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)和(he)N型区(qu)域(yu)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)空穴）从(cong)一(yi)个(ge)区(qu)域(yu)流(liu)(liu)(liu)(liu)向另一(yi)个(ge)区(qu)域(yu)。因此(ci)，在(zai)短暂(zan)的(de)(de)(de)(de)(de)瞬(shun)态(tai)(tai)变化后，PN结中(zhong)载流(liu)(liu)(liu)(liu)子(zi)(zi)(zi)状态(tai)(tai)达到平衡(heng)。四种不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)载流(liu)(liu)(liu)(liu)子(zi)(zi)(zi)将在(zai)半导体中(zhong)流(liu)(liu)(liu)(liu)动：多数载流(liu)(liu)(liu)(liu)子(zi)(zi)(zi)将从(cong)一(yi)个(ge)区(qu)域(yu)扩散至另一(yi)个(ge)区(qu)域(yu)，与电(dian)(dian)场(chang)E无关，少数载流(liu)(liu)(liu)(liu)子(zi)(zi)(zi)将在(zai)电(dian)(dian)场(chang)E的(de)(de)(de)(de)(de)作用卜(bu)流(liu)(liu)(liu)(liu)动。因为电(dian)(dian)场(chang)E的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)应会(hui)补偿多数载流(liu)(liu)(liu)(liu)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)数量，所以(yi)，在(zai)平衡(heng)状态(tai)(tai)下，这些电(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)将相互抵消。

如(ru)(ru)果在半(ban)导休上：焊接导线，并施加电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压，其平衡状态将(jiang)被打破（图2.3）。首先，假设(she)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压源的(de)(de)(de)极性是(shi)使P型区域的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压高于N型区域的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压，那么在图2.3中就是(shi)V>0。然后(hou)外加电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压将(jiang)降(jiang)低电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)E，从而减小(xiao)(xiao)了电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)E的(de)(de)(de)束缚，增加了多数载流子在边界上的(de)(de)(de)扩散(san)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流。即使电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)E只(zhi)有少量(liang)减小(xiao)(xiao)，例如(ru)(ru)V＝0.8V，可以在电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路中产生很大的(de)(de)(de)多数载流子电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流（例如(ru)(ru)I=lA）。因(yin)此，这种极性的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压V就称为正向电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压，而I也就称为正向电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流。

现在分析电压极性相反的情况，即图2.3中，V<0）。这样外加电压V将增强电场E，阻止多数载流子在区域问流动。如果V足够大，多数载流子电流几乎消失，只有少数载流子仍在流动（电子从P型区域流向N型区域，空穴从相反入向移动）。由于少数载流子的数量非常小，而且几乎与外加电压V无关，从而PN结的净电流将非常小，基本保持恒定。这种情况下，V和I就分别称为反向电压和反向电流。利用图2.3中所规定的参考方向，此时I

其中，Is表示二极管的反向饱和电流，由器件采用的材料特性以及器件几何尺寸确定；电子电荷最q≈1.6X10-¹⁹C；玻尔兹曼常数R≈1.38X10-23J/K；T表示半导体的温度，单位为开尔文，在室温下（T=300K），RT/q≈26mV。Is通常都非常小，在10^-9A量级，甚至可能(neng)更低。从而可以得(de)出(chu)，当(dang)V>O时，电流(liu)丁随(sui)着电压的升高(gao)而呈指数(shu)关系增大，而当(dang)V<0，电流(liu)I≈一Is，其值非常(chang)小（图(tu)2.4）。

N型区和P型区交界区域的特性是非常重要的。如前文所述，在该区域中，多数载流子是非常稀疏的，一些载流子流进该区域，而同时另一些被电场E推回到本身原来的区域。因此，交界区域含有固定的离子，使得P型区带有负电，而N型区带正电(图2.3)。因此，这一区域称为耗尽层，其宽度随着电场E的增加而增大，即在反向偏置（正向偏置）状态下，耗尽层宽度将增大（减小）。

由于电场(chang)E的(de)(de)存在，当外(wai)加电压为0时(shi)，耗尽区仍然会呈现偏置电压ψ：（通常(chang)称为内建电压）。当外(wai)加电压不为0时(shi)，PN结上总的(de)(de)电压降应为ψi-V,通常(chang)情(qing)况下，ψi=0.5～1V。

对于V

其(qi)中，εs≈1.04pF/cm表(biao)示硅的介(jie)电常(chang)数(shu)(shu)，εs≈εoKs，这里(li)εo表(biao)示自由(you)空间(jian)( FreeSpace)的介(jie)电常(chang)数(shu)(shu)(εo≈8.86X10-14F/cm)；Ks≈ll.7表(biao)示硅的相对(dui)介(jie)电常(chang)数(shu)(shu)（有(you)时(shi)为了(le)简单也称为介(jie)电常(chang)数(shu)(shu)）；Na(Nd)表(biao)示每立(li)方厘米中受主原子（施主原子）的数(shu)(shu)量。

注意(yi)，电容C随(sui)着(zhe)电压｜v｜的增大而不断增大。

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