什么是PN結及半導體基礎知識

在我們的日常生活中，經(jīng)?？吹交蛴玫礁鞣N各樣的物體，它們的性質是各不相同的。有些物體，如鋼、銀、鋁、鐵等，具有良好的導電性能，我們稱它們?yōu)閷w。相反，有些物體如玻璃、橡皮和塑料等不易導電，我們稱它們?yōu)榻^緣休(或非導體)。還有一些物體，如鍺、硅、砷化稼及大多數(shù)的金屬氧化物和金屬硫化物，它們既不象導體那樣容易導屯，也不象絕緣體那樣不易導電，而是介于導體和絕緣體之間，我們把它們叫做半導體。絕大多數(shù)半導體都是晶體，它們內(nèi)部的原子都按照一定的規(guī)律排列著。因此，人們往往又把半導體材料稱為晶體，這也就是晶體管名稱的由來(意思是用晶體材料做的管子)。

物體的導電性能常用電阻率來表示。所謂電阻率，就是某種物體單位長度及單位截面積的體積內(nèi)的電阻值。電阻率越小，越容易導電；反之，電阻率越大，越難導電。

導體、絕緣體的電阻率值隨溫度的影響而變化很小。但溫度變化時，半導體的電阻率變化卻很激烈；每升高1℃，它的電阻率下降達百分之幾到百分之幾十。不僅如此，當溫度較高時，整體電阻甚至下降到很小，以致變成和導體一樣。

在金屬或絕緣體中，如果雜質含量不超過干分之一，它的電阻率變化是微不足道的。但半導體中含有雜質時對它的影響卻很大。以鍺為例，只要含雜質一千萬分之一，電阻率就下降到原來的十六分之一。

鍺是典型的半導體元素，是制造晶體管的一種常用材料（注：當前的半導體元器件生產(chǎn)以硅Silicon材料為主）?，F(xiàn)以鍺為例來說明如何會在半導體內(nèi)產(chǎn)生電流、整流性能和放大性能

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電子圍繞原子核運動，和地球圍繞太陽遠行相似。在核的引力作用下，電子分成幾層按完全確定的軌道運行，而且各層所能容納的電子數(shù)日也有一定規(guī)律。如圖所示：在鍺原子核周圍的32個電子組成四層環(huán)，圍繞原子核運動。從里往外數(shù)，第一層環(huán)上有2個電子，其余依次為8、18、4個電子。凡是環(huán)上的電子數(shù)為2、8、18時．這些環(huán)上的電子總是比較穩(wěn)定的。若環(huán)上的電子數(shù)不等于以上各數(shù)時，這些環(huán)上的電子總是不太穩(wěn)定。

因此，鍺原子結構中，第一、二、三層的電于是穩(wěn)定的，只有第四層(即最外一“層)的4個電于是不穩(wěn)定的。因最外一層的電子沒有填滿到規(guī)定的數(shù)目。我們把最外一層的電子叫做價電子。一般來說，最外層有幾個價電子，其原子價就為幾。鍺的最外層有4個價電子，所以鍺的原子價為4。

受外界作用，環(huán)上的電子可以克服原子核的吸引力而脫離原子，自由活動成為自由電子。這些自由電子在電場力的作用下，產(chǎn)生空間運動，就形成了電流。可以想像，由于最外層的價電子離核比較遠，所受引力最小，所以最容易受外界影響而形成自由電子。因此，從導電性能看，價電子是很重要的。我們所說的鍺元素就是依靠它最外層的4個價電子進行導電的。

鍺晶體內(nèi)的原子很整齊的排列著。各個原子間有相互排斥的力量，而每個原子除了吸引自己的價電子外，還吸引相鄰原子的價電子。因此，兩個相鄰原子的價電子便成對地存在。這一對電子同時受這兩個原子核的吸引，為它們所“共有”。這兩個相鄰原子也通過這個電子對被聯(lián)系在一起。這樣，電子對就好像起了鍵(聯(lián)結)的作用，我們叫它共價鍵。每一個鍺原子以其4個價電子與其他4個鍺原子的價電子組成4個共價鍵而達到穩(wěn)定狀態(tài)。

在理想情況下，鍺晶體中所有的價電子都織成了電子對，因此沒有自由電子，這時鍺晶體是不易導電的。

但在外力作用下，如受溫度變化，其中可能會有一個價電子脫離鍵的束縛，掙脫共價鍵而跳出來，成為自由電子。這時共價鍵中出現(xiàn)了一個空位，我們把這個空位叫做空穴。由于原子本身正電荷和負電荷相等，故原子失去了電子后，整個原子就帶正電荷，稱為正離子。正離子容易吸引相鄰原子的價電子來填補，電子離開后所留下的空位，使相鄰原子中又出現(xiàn)空穴，而這個新出現(xiàn)的空穴，又可能為別的電子去填充。電子這樣不斷地填充空穴，就使空穴的位置不斷地在原子問轉移。空穴的轉移，實際上也是電子(電荷)的運動，所以也就形成電流，這叫做空穴流。而原來失去的屯子，在晶體中運動，形成了電子流。為了便于敘述，今后就認為空穴在運動，而且把它當作一個正電荷來看(實際上是空穴所在的原子呈現(xiàn)一個單位正電荷的電量)。由于空穴和電子都帶有電荷，它們的運動都形成電流，所以就統(tǒng)稱它們?yōu)檩d流子。

一塊不含有雜質的、品格完整的半導體叫做本征半導體。因為它品格完整，如果有一個電子從共價鍵中釋放出來，必定留下一個空眾。所以本征半導體中電子和空眾總是成對地出現(xiàn)，它們的數(shù)日相等，稱為電子一空穴對。在常溫下，由于熱運動的結果，在本征半導體中會產(chǎn)生一定數(shù)量的電子一空穴對，形成電子流和空穴流，總的電流是兩者之和。如沒有外界電場作用，電子和空穴的這種運動是雜亂無章的，電子流和空穴流方向也是不定的，結果互相抵消，沒有凈電流出現(xiàn)。但在電場作用下，這種半導體兩端就出現(xiàn)電壓，電子向正端方向運動，空穴向負端方向運動，形成了定向電流，半導體內(nèi)就產(chǎn)生電流了。本征半導體因電場作用而產(chǎn)生的導電現(xiàn)象就叫本征導電。

通常，我們很少見到本征半導體，大多遇到的都是P型半導體或N型半導體。

前面說過，半導體中加進了雜質，電阻率就大大降低。這是因為加進雜質后，空穴和電子的數(shù)目會大大增加。例如，在鍺晶休中摻入很少一點三價元素銦，由于銦的價電子只有三個，滲入鍺晶體后，它的三個價電子分別和相鄰的三個鍺原子的價電子組成共價鍵，而對相鄰的第四個鍺原子，它沒有電于拿出來和這個鍺原子“共有”了，這就留下了一個空穴(見圖1一3(c))。因為摻入了少量的雜質銦，就會出現(xiàn)很多空穴；這是因為即使是少量的，里面含有的原子數(shù)目卻不少。雜質半導體中空穴和電子數(shù)目不相等，在電場作用下，空穴導電是主要的，所以叫空穴型半導體或者說是P型半導體。換句話說，P型或空穴型半導體內(nèi)是有剩余空穴的，摻入的雜質提供了剩余空穴。在P型半導體中，空穴是多數(shù)，所以稱空穴為多數(shù)載流子；電子數(shù)目少，就叫少數(shù)裁流子。滲入的雜質能產(chǎn)生空穴接受電子，我們叫這種雜質為受主雜質。

如果把五價元素砷摻入鍺晶體中，砷原子中有5個價電于，它和四個鍺原子的價電子組成共價鍵后，留下一個剩余電子，這個剩余電子就在晶體中到處游蕩，在外電場作用下形成定向電子流。摻入少量的砷雜質就會產(chǎn)生大量的剩余電子，所以稱這種半導體為電子型半導體或N型半導體。在這種半導體中有剩余電子，這時電子是多數(shù)載流子，而空穴是少數(shù)載流子。因為砷是施給剩余電子的雜質，所以叫做施主雜質。