什么是PN結(jié)及半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

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(dǎo)電性能，我們稱它們?yōu)閷?dǎo)體。相反，有些物體如玻璃、橡皮和塑料等不易導(dǎo)電，我們稱它們?yōu)榻^緣休(或非導(dǎo)體)。還有一些物體，如鍺、硅、砷化稼及大多數(shù)的金屬氧化物和金屬硫化物，它們既不象導(dǎo)體那樣容易導(dǎo)屯，也不象絕緣體那樣不易導(dǎo)電，而是介于導(dǎo)體和絕緣體之間，我們把它們叫做半導(dǎo)體。絕大多數(shù)半導(dǎo)體都是晶體，它們內(nèi)部的原子都按照一定的規(guī)律排列著。因此，人們往往又把半導(dǎo)體材料稱為晶體，這也就是晶體管名稱的由來(意思是用晶體材料做的管子)。

物體的導(dǎo)電性能常用電阻率來表示。所謂電阻率，就是某種物體單位長度及單位截面積的體積內(nèi)的電阻值。電阻率越小，越容易導(dǎo)電；反之，電阻率越大，越難導(dǎo)電。

導(dǎo)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(dǎo)體的電阻率變化卻很激烈；每升高1℃，它的電阻率下降達(dá)百分之幾到百分之幾十。不僅如此，當(dāng)溫度較高時(shí)，整體電阻甚至下降到很小，以致變成和導(dǎo)體一樣。

在金屬或絕緣體中，如果雜質(zhì)含量不超過干分之一，它的電阻率變化是微不足道的。但半導(dǎo)體中含有雜質(zhì)時(shí)對(duì)它的影響卻很大。以鍺為例，只要含雜質(zhì)一千萬分之一，電阻率就下降到原來的十六分之一。

鍺是典型的半導(dǎo)體元素，是制造晶體管的一種常用材料（注：當(dāng)前的半導(dǎo)體元器件生產(chǎn)以硅Silicon材料為主）?，F(xiàn)以鍺為例來說明如何會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)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(yùn)動(dòng)，和地球圍繞太陽遠(yuǎn)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(yùn)行，而且各層所能容納的電子數(shù)日也有一定規(guī)律。如圖所示：在鍺原子核周圍的32個(gè)電子組成四層環(huán)，圍繞原子核運(yùn)動(dòng)。從里往外數(shù)，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(shù)為2、8、18時(shí)．這些環(huán)上的電子總是比較穩(wěn)定的。若環(huán)上的電子數(shù)不等于以上各數(shù)時(shí)，這些環(huán)上的電子總是不太穩(wěn)定。

因此，鍺原子結(jié)構(gòu)中，第一、二、三層的電于是穩(wěn)定的，只有第四層(即最外一“層)的4個(gè)電于是不穩(wěn)定的。因最外一層的電子沒有填滿到規(guī)定的數(shù)目。我們把最外一層的電子叫做價(jià)電子。一般來說，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力的作用下，產(chǎn)生空間運(yùn)動(dòng)，就形成了電流。可以想像，由于最外層的價(jià)電子離核比較遠(yuǎn)，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(dǎo)電性能看，價(jià)電子是很重要的。我們所說的鍺元素就是依靠它最外層的4個(gè)價(jià)電子進(jìn)行導(dǎo)電的。

鍺晶體內(nèi)的原子很整齊的排列著。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(duì)地存在。這一對(duì)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)相鄰原子也通過這個(gè)電子對(duì)被聯(lián)系在一起。這樣，電子對(duì)就好像起了鍵(聯(lián)結(jié))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(dá)到穩(wěn)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(duì)，因此沒有自由電子，這時(shí)鍺晶體是不易導(dǎo)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，成為自由電子。這時(shí)共價(jià)鍵中出現(xiàn)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(fù)電荷相等，故原子失去了電子后，整個(gè)原子就帶正電荷，稱為正離子。正離子容易吸引相鄰原子的價(jià)電子來填補(bǔ)，電子離開后所留下的空位，使相鄰原子中又出現(xiàn)空穴，而這個(gè)新出現(xiàn)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轉(zhuǎn)移?？昭ǖ霓D(zhuǎn)移，實(shí)際上也是電子(電荷)的運(yùn)動(dòng)，所以也就形成電流，這叫做空穴流。而原來失去的屯子，在晶體中運(yùn)動(dòng)，形成了電子流。為了便于敘述，今后就認(rèn)為空穴在運(yùn)動(dòng)，而且把它當(dāng)作一個(gè)正電荷來看(實(shí)際上是空穴所在的原子呈現(xiàn)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(yùn)動(dòng)都形成電流，所以就統(tǒng)稱它們?yōu)檩d流子。

一塊不含有雜質(zhì)的、品格完整的半導(dǎo)體叫做本征半導(dǎo)體。因?yàn)樗犯裢暾?，如果有一個(gè)電子從共價(jià)鍵中釋放出來，必定留下一個(gè)空眾。所以本征半導(dǎo)體中電子和空眾總是成對(duì)地出現(xiàn)，它們的數(shù)日相等，稱為電子一空穴對(duì)。在常溫下，由于熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，在本征半導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的電子一空穴對(duì)，形成電子流和空穴流，總的電流是兩者之和。如沒有外界電場作用，電子和空穴的這種運(yùn)動(dòng)是雜亂無章的，電子流和空穴流方向也是不定的，結(jié)果互相抵消，沒有凈電流出現(xiàn)。但在電場作用下，這種半導(dǎo)體兩端就出現(xiàn)電壓，電子向正端方向運(yùn)動(dòng)，空穴向負(fù)端方向運(yùn)動(dòng)，形成了定向電流，半導(dǎo)體內(nèi)就產(chǎn)生電流了。本征半導(dǎo)體因電場作用而產(chǎn)生的導(dǎo)電現(xiàn)象就叫本征導(dǎo)電。

通常，我們很少見到本征半導(dǎo)體，大多遇到的都是P型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。

前面說過，半導(dǎo)體中加進(jìn)了雜質(zhì)，電阻率就大大降低。這是因?yàn)榧舆M(jìn)雜質(zhì)后，空穴和電子的數(shù)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(duì)相鄰的第四個(gè)鍺原子，它沒有電于拿出來和這個(gè)鍺原子“共有”了，這就留下了一個(gè)空穴(見圖1一3(c))。因?yàn)閾饺肓松倭康碾s質(zhì)銦，就會(huì)出現(xiàn)很多空穴；這是因?yàn)榧词故巧倭康模锩婧械脑訑?shù)目卻不少。雜質(zhì)半導(dǎo)體中空穴和電子數(shù)目不相等，在電場作用下，空穴導(dǎo)電是主要的，所以叫空穴型半導(dǎo)體或者說是P型半導(dǎo)體。換句話說，P型或空穴型半導(dǎo)體內(nèi)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(dǎo)體中，空穴是多數(shù)，所以稱空穴為多數(shù)載流子；電子數(shù)目少，就叫少數(shù)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，所以稱這種半導(dǎo)體為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。在這種半導(dǎo)體中有剩余電子，這時(shí)電子是多數(shù)載流子，而空穴是少數(shù)載流子。因?yàn)樯槭鞘┙o剩余電子的雜質(zhì)，所以叫做施主雜質(zhì)。