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(zhì)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(chēng)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(chēng)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。絕大多數半導體都是晶體，它們內部的原子都按照一定的規律排列著(zhù)。因此，人們往往又把半導體材料稱(chēng)為晶體，這也就是晶體管名稱(chēng)的由來(lái)(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(lái)表示。所謂電阻率，就是某種物體單位長(cháng)度及單位截面積的體積內的電阻值。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(shí)，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(shí)，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(zhì)含量不超過(guò)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(zhì)時(shí)對它的影響卻很大。以鍺為例，只要含雜質(zhì)一千萬(wàn)分之一，電阻率就下降到原來(lái)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以鍺為例來(lái)說(shuō)明如何會(huì )在半導體內產(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(dòng)，和地球圍繞太陽(yáng)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日也有一定規律。如圖所示：在鍺原子核周?chē)?2個(gè)電子組成四層環(huán)，圍繞原子核運動(dòng)。從里往外數，第一層環(huán)上有2個(gè)電子，其余依次為8、18、4個(gè)電子。凡是環(huán)上的電子數為2、8、18時(shí)．這些環(huán)上的電子總是比較穩定的。若環(huán)上的電子數不等于以上各數時(shí)，這些環(huán)上的電子總是不太穩定。

因此，鍺原子結構中，第一、二、三層的電于是穩定的，只有第四層(即最外一“層)的4個(gè)電于是不穩定的。因最外一層的電子沒(méi)有填滿(mǎn)到規定的數目。我們把最外一層的電子叫做價(jià)電子。一般來(lái)說(shuō)，最外層有幾個(gè)價(jià)電子，其原子價(jià)就為幾。鍺的最外層有4個(gè)價(jià)電子，所以鍺的原子價(jià)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(dòng)成為自由電子。這些自由電子在電場(chǎng)力的作用下，產(chǎn)生空間運動(dòng)，就形成了電流?？梢韵胂?，由于最外層的價(jià)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(jià)電子是很重要的。我們所說(shuō)的鍺元素就是依靠它最外層的4個(gè)價(jià)電子進(jìn)行導電的。

鍺晶體內的原子很整齊的排列著(zhù)。各個(gè)原子間有相互排斥的力量，而每個(gè)原子除了吸引自己的價(jià)電子外，還吸引相鄰原子的價(jià)電子。因此，兩個(gè)相鄰原子的價(jià)電子便成對地存在。這一對電子同時(shí)受這兩個(gè)原子核的吸引，為它們所“共有”。這兩個(gè)相鄰原子也通過(guò)這個(gè)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(jià)鍵。每一個(gè)鍺原子以其4個(gè)價(jià)電子與其他4個(gè)鍺原子的價(jià)電子組成4個(gè)共價(jià)鍵而達到穩定狀態(tài)。

在理想情況下，鍺晶體中所有的價(jià)電子都織成了電子對，因此沒(méi)有自由電子，這時(shí)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(huì )有一個(gè)價(jià)電子脫離鍵的束縛，掙脫共價(jià)鍵而跳出來(lái)，成為自由電子。這時(shí)共價(jià)鍵中出現了一個(gè)空位，我們把這個(gè)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(gè)原子就帶正電荷，稱(chēng)為正離子。正離子容易吸引相鄰原子的價(jià)電子來(lái)填補，電子離開(kāi)后所留下的空位，使相鄰原子中又出現空穴，而這個(gè)新出現的空穴，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(wèn)轉移?？昭ǖ霓D移，實(shí)際上也是電子(電荷)的運動(dòng)，所以也就形成電流，這叫做空穴流。而原來(lái)失去的屯子，在晶體中運動(dòng)，形成了電子流。為了便于敘述，今后就認為空穴在運動(dòng)，而且把它當作一個(gè)正電荷來(lái)看(實(shí)際上是空穴所在的原子呈現一個(gè)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(dòng)都形成電流，所以就統稱(chēng)它們?yōu)檩d流子。

一塊不含有雜質(zhì)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(gè)電子從共價(jià)鍵中釋放出來(lái)，必定留下一個(gè)空眾。所以本征半導體中電子和空眾總是成對地出現，它們的數日相等，稱(chēng)為電子一空穴對。在常溫下，由于熱運動(dòng)的結果，在本征半導體中會(huì )產(chǎn)生一定數量的電子一空穴對，形成電子流和空穴流，總的電流是兩者之和。如沒(méi)有外界電場(chǎng)作用，電子和空穴的這種運動(dòng)是雜亂無(wú)章的，電子流和空穴流方向也是不定的，結果互相抵消，沒(méi)有凈電流出現。但在電場(chǎng)作用下，這種半導體兩端就出現電壓，電子向正端方向運動(dòng)，空穴向負端方向運動(dòng)，形成了定向電流，半導體內就產(chǎn)生電流了。本征半導體因電場(chǎng)作用而產(chǎn)生的導電現象就叫本征導電。

通常，我們很少見(jiàn)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(shuō)過(guò)，半導體中加進(jìn)了雜質(zhì)，電阻率就大大降低。這是因為加進(jìn)雜質(zhì)后，空穴和電子的數目會(huì )大大增加。例如，在鍺晶休中摻入很少一點(diǎn)三價(jià)元素銦，由于銦的價(jià)電子只有三個(gè)，滲入鍺晶體后，它的三個(gè)價(jià)電子分別和相鄰的三個(gè)鍺原子的價(jià)電子組成共價(jià)鍵，而對相鄰的第四個(gè)鍺原子，它沒(méi)有電于拿出來(lái)和這個(gè)鍺原子“共有”了，這就留下了一個(gè)空穴(見(jiàn)圖1一3(c))。因為摻入了少量的雜質(zhì)銦，就會(huì )出現很多空穴；這是因為即使是少量的，里面含有的原子數目卻不少。雜質(zhì)半導體中空穴和電子數目不相等，在電場(chǎng)作用下，空穴導電是主要的，所以叫空穴型半導體或者說(shuō)是P型半導體。換句話(huà)說(shuō)，P型或空穴型半導體內是有剩余空穴的，摻入的雜質(zhì)提供了剩余空穴。在P型半導體中，空穴是多數，所以稱(chēng)空穴為多數載流子；電子數目少，就叫少數裁流子。滲入的雜質(zhì)能產(chǎn)生空穴接受電子，我們叫這種雜質(zhì)為受主雜質(zhì)。

如果把五價(jià)元素砷摻入鍺晶體中，砷原子中有5個(gè)價(jià)電于，它和四個(gè)鍺原子的價(jià)電子組成共價(jià)鍵后，留下一個(gè)剩余電子，這個(gè)剩余電子就在晶體中到處游蕩，在外電場(chǎng)作用下形成定向電子流。摻入少量的砷雜質(zhì)就會(huì )產(chǎn)生大量的剩余電子，所以稱(chēng)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(shí)電子是多數載流子，而空穴是少數載流子。因為砷是施給剩余電子的雜質(zhì)，所以叫做施主雜質(zhì)。