1.1　半导体的基本知识

1.1.1　半导体及其主要特性

半导体以其输入功率小和转换效率高等优点而得到广泛的应用，常用的半导体器件主要有半导体二极管、半导体三极管和场效应管等，这些器件广泛地应用于各种电子设备，使得电子技术在各行各业不断续写着神奇。而半导体器件是由半导体材料构成的，要学习半导体器件，必须首先了解能构成这些具有神奇功能的半导体器件的半导体材料。

自然界中的物质按其导电能力强弱的不同，可分为三大类：导体、绝缘体和半导体。

通常将电阻率小于10-4Ω·cm的物质称为导体，如金、银、铜、铁等，金属都是良好的导体。将电阻率大于1010Ω·cm的物质称为绝缘体，如橡胶、塑料、玻璃等都很难导电。还有一类物质，其导电能力介于导体和绝缘体之间，称为半导体（电阻率在10-4～1010Ω·cm）。常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）等，大多数半导体器件所用的主要材料就是硅和锗。

导体导电能力最好，常用于构成传导电流的电路，绝缘体几乎不导电，宜用于限制电流流通，防止电流泄漏。半导体传导电流不如导体，限制电流又不如绝缘体，却得到了广泛的应用，而且半导体技术的发展成为电子技术发展的标志，主要是因为半导体具有一些特殊性能，科学家利用这些特殊性能，制造出了性能优异的半导体器件，从而引发了电子技术的飞跃。

（1）热敏特性：半导体对温度很敏感，其电阻率随温度的升高会减小，导电能力将显著增加（例如半导体锗在温度每升高10℃时，其电阻率减小为原来的一半）。虽然这种特性对半导体器件的工作性能及半导体器件组成的电子电路的性能有许多不利的影响，但可利用这种特性制成各种热敏器件，用于自动控制系统以及温度测量等。由此制成的热敏电阻，可以感知万分之一摄氏度的温度变化，把热敏电阻装在机器的各个重要部位，就能集中控制和测量它们的温度；用热敏电阻制作的恒温调节器，可以把环境温度定在上下不超过5℃的范围；在农业上，热敏电阻制成的感测装置能准确地测出植物叶面的温度和土壤的温度；它还能测量辐射，几百米远人体发出的热辐射或1km外的热源都能方便地测出。

（2）光敏特性：半导体材料对光照很敏感。半导体材料受到光照射时，其电阻率减小，导电能力显著增强。例如一种硫化铬的半导体材料，在一般灯光照射下，其电阻率是移去光照后的几十分之一或几百分之一。利用半导体的光敏特性，可以制成光电二极管、光电三极管和光敏电阻等多种光电器件，用于自动控制和光电控制电路中。如应用光电器件可以实现路灯、航标灯的自动控制；可以制成火灾报警装置；可以进行产品自动计数等。

（3）掺杂特性：在纯净的半导体中人为地掺入微量的杂质元素，就会使它的导电能力急剧增强。例如在半导体硅中掺入亿分之一的硼（B），其导电能力可以提高几万倍。人们就是用控制掺杂浓度的方法，精确地控制半导体的导电能力，制造出各种不同性能、不同用途的半导体器件，如二极管、三极管、场效应管等。而且在半导体不同的部位掺入不同的杂质，就会呈现不同的性能，再采用一些特殊工艺，将各种半导体器件进行适当的连接就可制成具有某一特定功能的电路（集成电路）甚至是系统，这就是半导体最具魅力之处。

常用的半导体材料在自然中都是以晶体结构存在的，因此由其构成的半导体二极管、三极管又称作晶体二极管和晶体三极管。

1.1.2　本征半导体与杂质半导体

1.本征半导体

半导体之所以具有上述特殊特性，是因为它的结构特殊。常用的半导体材料硅和锗都是四价元素，其原子最外层轨道都具有四个电子，称为价电子。原子与原子之间通过共价键连接在一起，形成空间有序排列，半导体呈晶体结构，把这种非常纯净且原子排列整齐的半导体称为本征半导体，如图1.1所示。

半导体中有两种导电粒子，一种是带负电荷的自由电子，一种是相当于带正电荷的空穴，它们在外电场作用下都能定向移动形成电流，所以统称为载流子。本征半导体中两种载流子的数量相等。常温下自由电子和空穴两种载流子的数量很少，所以导电性很差。然而当环境温度升高时，两种载流子的数量会显著增多，导电性明显提高，这就是半导体的导电性随温度变化而明显变化的原因。

2.杂质半导体

在本征半导体中掺入微量的其他元素（称杂质），就会使它的导电性发生显著变化，这种掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体两大类。

1）N型半导体

在本征半导体中掺入微量的五价元素，如磷（或砷、锑）等，则可构成N型半导体。每掺入一个杂质原子就能产生一个自由电子，使得半导体中的载流子数量大大提高，导电性显著增强。

在N型半导体中因掺杂而产生了大量的自由电子，使得自由电子和空穴两种载流子的数量不再相等，空穴的数量极少，称为少数载流子，简称少子；自由电子的数量居多，称为多数载流子，简称多子。N型半导体以自由电子为导电主体，故又称电子型半导体。

2）P型半导体

在本征半导体中掺入微量的三价元素，如硼（或铟、镓）等，则可构成P型半导体。每掺入一个杂质原子就能产生一个空穴，使得半导体中的载流子数量大大提高，导电性显著增强。

在P型半导体中因掺杂而产生了大量的空穴，使得自由电子和空穴两种载流子的数量不再相等，自由电子的数量极少，称为少数载流子，简称少子；空穴的数量居多，称为多数载流子，简称多子。P型半导体以空穴为导电主体，故又称空穴型半导体。

注意：在杂质半导体中，多数载流子的数量主要取次于掺杂元素的多少，因此，可以通过控制掺杂元素的多少来控制其导电能力。而少数载流子的数量主要取决于温度，因此，半导体器件工作的稳定性是受温度影响的。无论哪种杂质半导体，对外均不显电性。

1.1.3　PN结及其导电特性

1.PN结的形成

虽然杂质半导体的导电能力大大提高，但单一的P型半导体或N型半导体只能起电阻作用。通过特殊的掺杂工艺，将纯净半导体的一侧做成P型半导体，另一侧做成N型半导体，在其交界处就形成了一个特殊的导电薄层，称之为PN结，如图1.2所示。PN结是构成各种半导体器件的基础。

2.PN结的导电特性

PN结的P区接外电源的正极，N区接外电源的负极，叫PN结外加正向电压，也叫PN结正向偏置（简称正偏），如图1.3（a）所示，形成的电流叫正向电流；PN结的P区接外电源的负极，N区接外电源的正极，叫PN结外加反向电压，也叫PN结反向偏置（简称反偏），如图1.3（b）所示，形成的电流叫反向电流。

PN结外加正向电压时，呈现很小的电阻，流过的正向电流较大，并随外加正向电压的增大而增大，称PN结正向导通；PN结外加反向电压时，呈现很大的电阻，流过的反向电流很小，几乎为零，且基本不随外加电压变化而变化，这种情况称PN结反向截止。

PN结正偏时导通，反偏时截止的特性，称为PN结的单向导电特性。