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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），即使是非(fei)常小的电场都(dou)会(hui)导致很(hen)大的电子电流-因此，金属总(zong)是呈现出(chu)很(hen)好的导电特性。

但是，绝缘体(ti)(ti)（例如二氧化硅）与导体(ti)(ti)的(de)特性就完全个一样(yang)。在(zai)(zai)绝缘体(ti)(ti)中，价(jia)电(dian)子(zi)在(zai)(zai)邻近原子(zi)之间形成价(jia)键，从而(er)被(bei)紧紧束缚在(zai)(zai)原子(zi)的(de)周围。因此(ci)，绝缘体(ti)(ti)中没有可移(yi)动的(de)自由电(dian)子(zi)，从而(er)电(dian)导率(lv)非常低(di)。

半导体（例如(ru)硅或者锗）的(de)导电(dian)(dian)特(te)性(xing)介于导体和绝(jue)缘体之间。在(zai)(zai)(zai)极低温(wen)时，价(jia)电(dian)(dian)子束(shu)缚在(zai)(zai)(zai)其(qi)原(yuan)子周(zhou)围(wei)，形成规(gui)则的(de)晶体。但是，随着温(wen)度(du)升高，由于原(yuan)予(yu)的(de)热扰动(dong)，一(yi)些价(jia)键(jian)断裂，电(dian)(dian)子就会从(cong)断裂的(de)价(jia)键(jian)巾逃(tao)逸出来。这种电(dian)(dian)子具有导电(dian)(dian)能力。而且，每一(yi)个(ge)逃(tao)逸的(de)电(dian)(dian)子将在(zai)(zai)(zai)价(jia)键(jian)处留下一(yi)个(ge)电(dian)(dian)荷缺(que)陷(xian)（称为(wei)空(kong)(kong)穴(xue)）。价(jia)键(jian)中的(de)价(jia)电(dian)(dian)子如(ru)果(guo)与空(kong)(kong)穴(xue)邻近，就很容(rong)易移(yi)(yi)动(dong)填(tian)入宅穴(xue)，在(zai)(zai)(zai)其(qi)原(yuan)来的(de)位置留下一(yi)个(ge)新的(de)空(kong)(kong)穴(xue)。这种效应就像空(kong)(kong)穴(xue)从(cong)一(yi)个(ge)价(jia)键(jian)流向(xiang)另(ling)一(yi)个(ge)位置。空(kong)(kong)穴(xue)的(de)“移(yi)(yi)动(dong)。方(fang)向(xiang)与价(jia)电(dian)(dian)子的(de)移(yi)(yi)动(dong)方(fang)向(xiang)相反，在(zai)(zai)(zai)电(dian)(dian)场中，空(kong)(kong)穴(xue)的(de)行为(wei)就像一(yi)个(ge)正电(dian)(dian)荷。

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(mian)的(de)章(zhang)节中，将(jiang)主要分析(xi)目(mu)前的(de)主流材料-硅(gui)。

在纯净的(de)(de)(de)硅材(cai)(cai)料(liao)中(zhong)(zhong)添加(jia)额外的(de)(de)(de)外来粒子(zi)(zi)(zi)（掺(chan)杂(za)物）可(ke)以提高半(ban)(ban)导(dao)体(ti)中(zhong)(zhong)自由载流(liu)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)数(shu)量。硅（和锗）具有四(si)个(ge)价(jia)(jia)电(dian)子(zi)(zi)(zi)。如果掺(chan)杂(za)物中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)有五(wu)个(ge)价(jia)(jia)电(dian)子(zi)(zi)(zi)（例如砷、磷(lin)或(huo)者锑），将(jiang)(jiang)该(gai)材(cai)(cai)料(liao)掺(chan)杂(za)进入半(ban)(ban)导(dao)体(ti)，这(zhei)些杂(za)质原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)就(jiu)会占据硅原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)在晶(jing)格中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)位置。因(yin)(yin)此，四(si)个(ge)价(jia)(jia)电(dian)子(zi)(zi)(zi)都会参(can)与形成四(si)个(ge)价(jia)(jia)键(jian)，将(jiang)(jiang)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)与品(pin)格中(zhong)(zhong)临近的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)绑在一起。外来杂(za)质的(de)(de)(de)第(di)五(wu)个(ge)价(jia)(jia)电(dian)子(zi)(zi)(zi)没有任何价(jia)(jia)键(jian)束(shu)缚，可(ke)以在材(cai)(cai)料(liao)中(zhong)(zhong)自由移动(dong)，但是，这(zhei)个(ge)价(jia)(jia)电(dian)子(zi)(zi)(zi)也可(ke)能出(chu)现(xian)存任意价(jia)(jia)键(jian)中(zhong)(zhong)，从而脱(tuo)离现(xian)有原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)束(shu)缚，成为自由电(dian)子(zi)(zi)(zi)。因(yin)(yin)此，这(zhei)种杂(za)质原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)（也称为施(shi)主原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)，因(yin)(yin)为其增加(jia)了半(ban)(ban)导(dao)体(ti)中(zhong)(zhong)自由电(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)数(shu)量）可(ke)以改变材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)电(dian)导(dao)特性。

在(zai)纯净的(de)硅材料：1，添加(jia)仪有三个(ge)价(jia)(jia)电(dian)(dian)子(zi)的(de)杂(za)质原子(zi)也可以(yi)提高(gao)半(ban)导体的(de)电(dian)(dian)导率。每(mei)个(ge)杂(za)质原子(zi)将(jiang)缺乏一个(ge)价(jia)(jia)键电(dian)(dian)了，因(yin)此，这(zhei)(zhei)种原子(zi)就可以(yi)产牛一个(ge)空穴(xue)。这(zhei)(zhei)些杂(za)质（例如(ru)硼、铝和镓(jia)等）称(cheng)为受主(zhu)原子(zi)，因(yin)为空穴(xue)会通过接受临近(jin)半(ban)导体原子(zi)价(jia)(jia)键的(de)价(jia)(jia)电(dian)(dian)子(zi)来实(shi)现移动(dong)，从(cong)而产生电(dian)(dian)流。

这(zhei)(zhei)样，掺杂半(ban)导(dao)(dao)休将同(tong)时(shi)存在由(you)于热运动形成的(de)载流子和(he)施主（或(huo)者受主）原(yuan)子。包含施主原(yuan)子的(de)材料同(tong)时(shi)具有自由(you)电子和(he)空(kong)(kong)穴(xue)，其电子数量多(duo)于空(kong)(kong)穴(xue)。这(zhei)(zhei)种半(ban)导(dao)(dao)体(ti)也称(cheng)为N型(xing)半(ban)导(dao)(dao)体(ti)，这(zhei)(zhei)里N表示“Negative”（负的(de)）。包含受主原(yuan)子的(de)材料中，空(kong)(kong)穴(xue)为多(duo)数载流子，因(yin)此称(cheng)为P型(xing)半(ban)导(dao)(dao)体(ti)，这(zhei)(zhei)里P表示“Positive”（正的(de)）。

半(ban)导(dao)体(ti)上艺也可(ke)以制造出同时包含不向类(lei)(lei)型(xing)(xing)邻近区(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)(yu)的(de)结构（图(tu)2.1）。将(jiang)(jiang)两种类(lei)(lei)型(xing)(xing)区(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)(yu)结合起(qi)来(lai)的(de)表面区(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)(yu)称为PN结。当PN结形(xing)成时，多数(shu)载流子(zi)（N型(xing)(xing)区(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)(yu)的(de)多子(zi)为电子(zi)，P型(xing)(xing)区(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)(yu)的(de)多子(zi)为空穴(xue)）的(de)随(sui)机热(re)运动将(jiang)(jiang)使(shi)电了从(cong)N型(xing)(xing)区(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)(yu)流向P型(xing)(xing)区(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)(yu)。反之，空穴(xue)将(jiang)(jiang)从(cong)P型(xing)(xing)区(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)(yu)流向N型(xing)(xing)区(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)(yu)。因(yin)此，这种随(sui)机热(re)运动（称为扩散）会使(shi)P型(xing)(xing)半(ban)导(dao)体(ti)积累负电荷，而N型(xing)(xing)半(ban)导(dao)体(ti)积累正电荷。这种效应在(zai)PN

结(jie)的(de)(de)(de)(de)接(jie)触(chu)面(mian)附(fu)近最为显著：在P型区(qu)(qu)域，带负电(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)受主原子(zi)(zi)由(you)于空(kong)穴的(de)(de)(de)(de)引(yin)入(ru)不再呈现(xian)电(dian)(dian)中(zhong)(zhong)(zhong)性，而（N型区(qu)(qu)域）自由(you)载(zai)(zai)(zai)流(liu)(liu)(liu)子(zi)(zi)个(ge)(ge)再围绕在带正电(dian)(dian)荷的(de)(de)(de)(de)施主离子(zi)(zi)附(fu)近。因此，在PN结(jie)的(de)(de)(de)(de)附(fu)近，形成了固定离子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)偶极子(zi)(zi)层(ceng)（图2.2）。偶极子(zi)(zi)层(ceng)会产(chan)牛一(yi)个(ge)(ge)与多数载(zai)(zai)(zai)流(liu)(liu)(liu)子(zi)(zi)扩散方(fang)向相(xiang)反的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)场(chang)E，会使(shi)热运动产(chan)牛的(de)(de)(de)(de)少数载(zai)(zai)(zai)流(liu)(liu)(liu)子(zi)(zi)（P型区(qu)(qu)域中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)子(zi)(zi)和N型区(qu)(qu)域中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)空(kong)穴）从一(yi)个(ge)(ge)区(qu)(qu)域流(liu)(liu)(liu)向另(ling)一(yi)个(ge)(ge)区(qu)(qu)域。因此，在短(duan)暂的(de)(de)(de)(de)瞬(shun)态变(bian)化(hua)后，PN结(jie)中(zhong)(zhong)(zhong)载(zai)(zai)(zai)流(liu)(liu)(liu)子(zi)(zi)状态达(da)到平(ping)衡(heng)(heng)。四种不同的(de)(de)(de)(de)载(zai)(zai)(zai)流(liu)(liu)(liu)子(zi)(zi)将(jiang)在半(ban)导体中(zhong)(zhong)(zhong)流(liu)(liu)(liu)动：多数载(zai)(zai)(zai)流(liu)(liu)(liu)子(zi)(zi)将(jiang)从一(yi)个(ge)(ge)区(qu)(qu)域扩散至另(ling)一(yi)个(ge)(ge)区(qu)(qu)域，与电(dian)(dian)场(chang)E无关，少数载(zai)(zai)(zai)流(liu)(liu)(liu)子(zi)(zi)将(jiang)在电(dian)(dian)场(chang)E的(de)(de)(de)(de)作用卜(bu)流(liu)(liu)(liu)动。因为电(dian)(dian)场(chang)E的(de)(de)(de)(de)效应会补偿多数载(zai)(zai)(zai)流(liu)(liu)(liu)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)数量，所以，在平(ping)衡(heng)(heng)状态下，这些电(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)将(jiang)相(xiang)互(hu)抵消。

如果在半导(dao)休上：焊接导(dao)线，并施加(jia)(jia)电(dian)(dian)压(ya)，其平衡状(zhuang)态将被打破（图2.3）。首先，假设电(dian)(dian)压(ya)源的极性是使P型(xing)(xing)区域的电(dian)(dian)压(ya)高于N型(xing)(xing)区域的电(dian)(dian)压(ya)，那么在图2.3中(zhong)就是V>0。然后外(wai)加(jia)(jia)电(dian)(dian)压(ya)将降(jiang)低电(dian)(dian)场E，从而(er)减(jian)小(xiao)了电(dian)(dian)场E的束缚，增加(jia)(jia)了多(duo)数载(zai)流(liu)子(zi)在边界上的扩散电(dian)(dian)流(liu)。即使电(dian)(dian)场E只有少量减(jian)小(xiao)，例如V＝0.8V，可以在电(dian)(dian)路中(zhong)产生很大的多(duo)数载(zai)流(liu)子(zi)电(dian)(dian)流(liu)（例如I=lA）。因此，这种极性的电(dian)(dian)压(ya)V就称为(wei)正(zheng)向电(dian)(dian)压(ya)，而(er)I也就称为(wei)正(zheng)向电(dian)(dian)流(liu)。

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(liang)级，甚至(zhi)可能(neng)更低。从而可以得(de)出，当V>O时(shi)，电(dian)流丁(ding)随着电(dian)压的升高而呈指数关系增(zeng)大，而当V<0，电(dian)流I≈一(yi)Is，其值非(fei)常小（图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(dian)(dian)(dian)场(chang)E的(de)(de)存在，当(dang)外(wai)(wai)加(jia)电(dian)(dian)(dian)压(ya)为(wei)0时，耗尽区(qu)仍(reng)然会呈现偏置(zhi)电(dian)(dian)(dian)压(ya)ψ：（通(tong)常称为(wei)内建(jian)电(dian)(dian)(dian)压(ya)）。当(dang)外(wai)(wai)加(jia)电(dian)(dian)(dian)压(ya)不(bu)为(wei)0时，PN结上总的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压(ya)降(jiang)应为(wei)ψi-V,通(tong)常情况下，ψi=0.5～1V。

对于V

其中，εs≈1.04pF/cm表(biao)(biao)示硅的(de)(de)介电常(chang)(chang)数(shu)，εs≈εoKs，这(zhei)里(li)εo表(biao)(biao)示自由空间( FreeSpace)的(de)(de)介电常(chang)(chang)数(shu)(εo≈8.86X10-14F/cm)；Ks≈ll.7表(biao)(biao)示硅的(de)(de)相对介电常(chang)(chang)数(shu)（有(you)时为(wei)了(le)简单也称为(wei)介电常(chang)(chang)数(shu)）；Na(Nd)表(biao)(biao)示每立方厘米中受(shou)主(zhu)原子(zi)(zi)（施主(zhu)原子(zi)(zi)）的(de)(de)数(shu)量。

注(zhu)意(yi)，电(dian)(dian)容(rong)C随着电(dian)(dian)压｜v｜的增大而不断增大。

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