半导体的特性

一、半导体

半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质，如硅、锗、砷化镓以及大多数的金属氧化物等，它们都具有半导体特性。

半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别。如大多数半导体对温度反应敏感，当环境温度升高时，它的导电能力要增强许多，利用这种特性可做成热敏元件。有些半导体在受到光照时，它的导电能力变的很强，而在无光照时，又变得像绝缘体一样不导电，利用这种特性可做成光敏元件。半导体掺入杂质后其电阻率大大减小，可以做成可控的电子开关元件。

1.本征半导体

纯净半导体称为本征半导体。我们以硅和锗原子的简化原子模型来说明，二维晶格结构如图1.1所示。在温度为T=0K和没有外界激发时，每一个电子均被共价键所束缚。在室温条件下，部分价电子就会获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，这称为本征激发。自由电子是一种带负电的载流子，在外加电场的作用下可以移动。自由电子移动后在原来共价键中留下的空位称为空穴，此时可把空穴认为是一个带正电的粒子，空穴和相邻的价电子很容易复合，复合后在相邻价电子处形成空穴，这相当于空穴的移动。在空穴和自由电子不断地产生的同时，原有的空穴和自由电子也会不断地复合，形成一种平衡。所以半导体中导电物质就是自由电子和空穴。

2.杂质半导体

在本征半导体中掺入不同的杂质，就会使半导体的导电性能显著的增加，根据掺入杂质的不同，分为P型半导体和N型半导体。

（1）P型半导体

在硅（或锗）中掺入少量三价元素硼（或铟），形成P型半导体。因为硼原子有三个价电子，所以在和周围的四个硅原子构成共价键时，会留有一个空穴，这样空穴在P型半导体中的数目远大于自由电子的数目，故P型半导体的多数载流子（多子）是空穴，相应的少数载流子（少子）为自由电子。

（2）N型半导体

在硅（或锗）中掺入少量五价元素磷（或砷），形成N型半导体。因为磷原子有五个价电子，所以在和周围的四个硅原子在构成共价键时，会多出一个自由电子，这样自由电子在N型半导体中的数目远大于空穴的数目，故N型半导体的多数载流子（多子）是自由电子，相应的少数载流子（少子）为空穴。

要注意的是，虽然两种杂质半导体的导电能力增加了，但整体而言仍是中性不带电的。

二、PN结的形成

若P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界面两侧分别是空穴和自由电子的高浓度区，因此在交界面处空穴和自由电子会发生从高浓度区向低浓度区的扩散运动并发生复合，这样破坏了原来P区和N区的电中性，P区由于接受了从N区扩散过来的自由电子而成为负极性区，N区由于接受了从P区扩散过来了空穴而成为正极性区，从带正电的N区指向带负电的P区的内电场开始逐渐形成。随着内电场的增加，对多子扩散的反作用增强，扩散运动逐渐减弱；但内电场有利于少子的漂移运动，最终使得交界面处空穴和自由电子的移动达到动态平衡，此时在P区和N区的交界面处形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的PN结。如图1.2所示。

如果在PN结两端加上正向电压，即P区接电源正极，N区接电源负极，称为PN结的正向偏置（正偏）。此时外加电场抵消了内电场的一部分作用，使得多子的扩散作用增强，形成较大的正向电流，PN结呈现低阻特性。

如果在PN结两端加上反向电压，即P区接电源负极，N区接电源正极，称为PN结的反向偏置（反偏）。此时外加电场和内电场进一步增强了多子的扩散的难度，此时只有少子的漂移作用，形成很小的反向电流，PN结呈现高阻特性。

正因为正向电流远大于反向电流，故我们说PN结具有单向导电性。