1.1 半导体基本知识

学习目标

1.掌握常用半导体材料的类型和导电特性；熟悉光、热和掺杂对半导体导电性的影响及其用途。

2.理解本征半导体、P型半导体、N型半导体的特点。

3.了解PN结的形成过程，熟练掌握PN结正、反偏的概念及对应的导电特性。

内容提要

半导体器件是构成电子电路的基本元件，它们所用的材料是经过特殊加工且性能可控的半导体材料。

一、本征半导体

1.半导体

半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间。在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素时，导电性能具有可控性，在光照和热辐射条件下，其导电性能有明显的变化。常用的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge）。

2.本征半导体

纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。

在温度非常低的情况下，比如绝对零度时，在本征半导体中没有导电粒子，此时，本征半导体为绝缘体。

当温度升高时，例如在常温（25℃）下，极少数价电子获得了足够的能量，从而挣脱共价键的束缚成为自由电子。与此同时，在共价键中留下一个空位置，这个空位置称为空穴。在本征半导体中，自由电子与空穴是成对出现的，也称为电子空穴对。

如果在本征半导体的两端外加一个电场，则一方面自由电子将产生定向运动，形成电子电流；另一方面价电子将按一定方向依次填补空穴，也可以说空穴逆着价电子移动方向运动，形成空穴电流。空穴带正电荷，电子带负电荷。半导体中有电子、空穴两种载流子。

二、杂质半导体

通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，便可得到杂质半导体。

1.N型半导体

在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷P），自由电子的浓度大于空穴的浓度，称自由电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子），形成电子型半导体，即N型半导体。

2.P型半导体

在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼B），空穴为多子，电子为少子，形成空穴型半导体，即P型半导体。

在N型或P型半导体中，多数载流子的浓度取决于掺杂的浓度，而少数载流子的浓度取决于环境温度。

三、PN结

1.PN结的形成

将两种杂质半导体制作在同一个硅片（或锗片）上，在它们的交界面处，由于存在载流子浓度差，多子相互扩散形成扩散电流，同时留下了一个只有正离子和负离子的区域，称为空间电荷区（也称为耗尽层、势垒区）；另一方面由于空间电荷区的存在产生由正电荷指向负电荷方向的电场称为内电场，内电场的存在又使得少子在电场的作用下做漂移运动，形成漂移电流，漂移电流方向与扩散电流方向相反，其结果又导致空间电荷区的变窄。当上述两种运动达到动态平衡时，流过PN结的净电流为零，从而形成PN结，如图1-1-1所示。

2.PN结的单向导电性

（1）当PN结外加正向电压（P端接正，N端接负）时，外加电压产生的电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场，有利于多子的扩散，而不利于少子的漂移。PN结空间电荷区变窄，形成较大的正向电流。PN结呈现出低电阻，处于导通状态。

（2）当PN结外加反向电压（P端接负，N端接正）时，外加电压产生的电场方向与PN结内电场方向一致，加强了内电场，有利于少子的漂移，而不利于多子的扩散。PN结空间电荷区变宽，流过由少子漂移形成的很小的反向电流计。PN结呈现出高电阻，处于反向截止状态。

3.PN结的击穿特性

当PN结的外加反向电压超过某一特定值（UBR）时，其反向电流急剧增加的现象称为PN结的击穿。

从PN结的击穿机理上分析，击穿现象分为齐纳击穿和雪崩击穿两种。齐纳击穿发生于掺杂浓度高的PN结，即使在反射电压不是很大的情况下，PN结内的电场强度很高，使大量价电子受电场力作用而脱离共价键，并参与导电形成很大的反向电流，一般在低于4V以下发生的击穿属于齐纳击穿。雪崩击穿发生于当外加反向电压过高时，耗尽层的电场使少子漂移速度加快，从而与共价键中的价电子发生碰撞，把价电子撞出共价键产生电子空穴对，新的电子与空穴又在电场作用下加速撞出其他价电子，使得载流子雪崩式地倍增，从而使电流急剧增大，一般雪崩击穿的电压发生在7V以上。

注意：PN结的击穿并不意味着PN结的损坏，在一定范围内，PN结发生击穿现象，若降低反向电压PN结仍能正常工作，只有当PN结发生击穿现象而且其反向电流超过一定值时，PN结才可能因过热而损坏。

【例1-1-1】试判断温度升高时，关于本征半导体中载流子的变化的几种说法是否正确。

（1）自由电子个数增加，空穴个数基本不变。（ ）

（2）空穴个数增加，自由电子个数基本不变。（ ）

（3）空穴和自由电子的个数增加，而且它们增加的数量相等。（ ）

（4）空穴和自由电子的个数不变。（ ）

【要点解析】 因为本征半导体中载流子的产生是由于热运动而产生的（称为本征激发），其自由电子和空穴是成对出现的，当温度升高时，本征激发产生的电子空穴对增加。

【答】 （1）错。（2）错。（3）对。（4）错。

【例1-1-2】判断题：在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（ ）

【要点解析】 N型半导体中掺入足够量的三价元素，不但可复合原先掺入的五价元素，而且可使空穴成为多数载流子，从而形成P型半导体。

【答】 对。

巩固练习

一、单项选择题

1.在本征半导体中掺入微量的（ ）价元素，形成N型半导体。

A.二 B.三 C.四 D.五

2.在N型半导体中掺入浓度更大的（ ）价元素，变为P型半导体。

A.二 B.三 C.四 D.五

3.在本征半导体中，电子浓度（ ）空穴浓度。

A.大于 B.等于 C.小于 D.由外界环境而定

4.N型半导体中的少数载流子是（ ）；P型半导体中的少数载流子是（ ）。

A.自由电子 B.空穴 C.中子 D.质子

5.本征半导体温度升高以后，（ ）。

A.自由电子增多，空穴数基本不变

B.空穴数增多，自由电子数基本不变

C.自由电子数和空穴数都增多，且数目相同

D.自由电子数和空穴数都不变

6.金属导体中的载流子是（ ）；半导体中的载流子是（ ）。

A.自由电子 B.空穴 C.离子 D.自由电子和空穴

7.在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于（ ），而少数载流子的浓度则与（ ）有很大关系。

A.温度 B.掺杂工艺 C.杂质浓度

二、填空题

8.半导体是一种导电能力介于_____与_____之间的物质。半导体的三大特点是_____、_____、_____。

9.P型半导体和N型半导体在无外电场作用情况下通常是_____（带正电，带负电，电中性）。

10.N型半导体和P型半导体中多数载流子的浓度取决于_____，少数载流子的浓度取决于_____。

11.PN结处于正向偏置时_____，反向偏置时_____。

12.在PN结形成过程中，载流子存在两种运动方式，即_____和_____。

13.PN结的最大特点是_____。

14.温度增加，PN结呈现的电阻将会变_____，它是_____温度系数的器件。

15.光照加强，PN结呈现的电阻将会变_____。

三、判断题

16.本征半导体温度升高后，两种载流子浓度仍然相等。（ ）

17.P型半导体带正电，N型半导体带负电。（ ）

18.PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（ ）

19.PN结正向电流的大小由温度决定。（ ）

20.半导体具有光敏特性，即半导体受光照射，它的电阻率会显著减小。（ ）

21.N型半导体是电子型半导体，其内部没有空穴。（ ）