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第1章常用半导体器件
半导体器件是用半导体材料制成的电子器件，最常用的有二极管、三极管、场效应管、晶闸管、单结晶体管等。随着电子技术的飞速发展，各种新型半导体器件层出不穷，几乎所有电子设备都离不开半导体器件。因此，全面了解各种半导体器件的结构特点、工作原理、技术参数和性能及其适用范围，是学好电子技术的关键所在。
1.1半导体基础知识
自然界中的物质可以按导电能力的强弱分为导体、绝缘体和半导体。导电能力强的物质称为导体
，不导电的物质称为绝缘体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体（如硅、锗、硒等）。
半导体之所以得到广泛的应用，
是因为它具有热敏感性、光敏感性、掺杂敏感性等特殊性能。
1.1.1本征半导体
图11本征半导体结构模型
经过高度提纯(99.9999999%，简称9个9)、晶体结构完整有序的半导体称为本征半导体。目前用来制造半导体器件的材料主要是单晶硅（Si）、单晶锗（Ge）和砷化镓(GaAs)等。硅和锗都是4价元素，其原子序数分别为14和32。它们的原子结构如图11(a)所示，最外层轨道上都有4个电子，称为价电子。
在本征半导体(硅或锗)的单晶体结构中，原子在空间有规律地整齐排列，组成一定形式的 晶格点阵。由于晶体中相邻原子间的距离很近，相互影响大，价电子受到所属原子核及相邻 原子核的共同约束，使1个价电子为相邻2个原子所共有，形成了晶体中的共价
键结构，如图11(b)所示。这样，晶体中每个原子的4个价电子都与相邻4个原子
的价电子分别组成4对共价键，相当于每个原子核最外层有8个等效价电子，这是稳定的原子结构 。
共价键内的2个电子叫做束缚电子。在热力学温标零度(T=0K)或无外界
能量激发时，由于共价键的束缚力很强，价电子不易挣脱原子核束缚而成为自由电子，因此，本征半导体的载流子数目有限，其导电能力很差。这时即使有(不太强的)外电场作用，也不会产生电流，呈现绝缘性。
当温度上升时，一些价电子因原子的热运动而获得足够的能量，使之可以脱离共价键的束缚
成
为自由电子，这种现象叫做本征激发。自由电子是本身带有负 电荷的粒子，在外电场作用下可
以定向运动形成电流。当价电子脱离共价键后，共价键中就留下了1个空位，称为 空穴。由
于原子外层轨道的能级相同，空穴很容易被任一相邻共价键中的价电子所填充，所以空 穴可以在共价键中“自由移动”。注意，空穴所在原子缺少1个电子，相当于带有1个正电荷 ，空穴的移动可视为正电荷的移动，因而可以把空穴看成是带1个正电荷的粒子，它在 外电
场作用下也可以定向运动而形成电流。带有电荷的自由电子和空穴都称为载流子，它们的定 向运动是半导体导电的内部机制，即半导体中的电流是电子电流和空穴电流之和。
在本征半导体内，自由电子和空穴总是相伴出现的，所以本征半导体中自由电子和空穴数 目是相等的。半导体内部除了本征激发产生电子空穴对以外，电子和空穴在
无规则的游离状态下，也会相遇而互相填补，使自由电子和空穴一同消失，这一过程称为载 流子的复合。
电子空穴对同时产生、同时消失。在一定温度下，它们的产生、复合在持续
不断地进行，使载流子数目在变化中处于一种动态平衡，半导体中的载流子浓度将保持一定 的数值。温度升高时本征激发使电子空穴对数目相对增多。理论分析表明，
载流子浓度会随温度的升高按指数规律增大，在电场一定的情况下，本征半导体内载流子数目越多，电流
就越大。所以，温度是影响半导体性能的一个很重要的因素。另外，光照、辐射等外界条件的加
强都会使半导体导电能力增大。
1.1.2杂质半导体
如上所述，影响半导体性能的另外一个因素是在本征半导体中掺入微量杂质，形成杂质半导体。因掺入的杂质不同，可将杂质半导体分为N型半导体和P型半导体两 类。
1. N型半导体
在本征半导体(如硅)中掺入微量的五价元素，如磷(或砷、锑等)，这些微量的杂质原子掺入 后基本上不会改变本征半导体的晶体结构，只是在某些位置取代了硅原子。在磷原子的五个 价
电子中，有四个与其相邻的硅原子组成共价键，多余的1个价电子不受共价键的束缚，受原 子核的引力也较小，在室温下极容易脱离磷原子的吸引成为自由电子，而磷原子成为不能移 动的带正电荷的离子。除了磷原子提供的自由电子外，原晶体中也有由于
本征激发产生的自由电子和空穴。每个磷原子都能提供1个自由电子，却不能同时产生空穴 ，所以这些额外的自由电子使半导体中的自由电子数目大大增加，而空穴数目则远远小于
自由电子数目。因此，在这种掺杂半导体中，电子是多数载流子(简称多子)，空穴是少数载流子(简称少子)，这种杂质半
导体主要以电子的定向运动形成电流，故称为N型(电子型)半导体。
2. P型半导体
在本征硅(或锗)内掺入微量的三价元素，如硼(或铝、铟等)，晶体中的某些位置被硼原子所 替代。由于硼原子最外层只有3个价电子，它们与相邻的四个硅原子组成共价键结构时，其 中1个共价键中必然留有1个空位。其他相邻硅原子中的价电子在室温下或其他能量的激发 下，很容易填补这个空位，使硼原子成为带负电的不能移动的离子。硅
原子中的价电子移走后，原来的位置就产生1个空穴。在常温下每个硼原子都能提供1个空 穴，但不能同时产生1个电子。除此之外，晶体中也存在由于本征激发而产生的电 子空穴对，其数目远远少于硼原子提供的额外的空穴数目。因此，在这种杂质半
导体内的两种载流子中，电子只占很少的一部分，绝大多数载流子都是空穴，所以空穴是多 数载流子，电子是少数载流子。显然，参与导电的载流子以空穴为主，故将这种杂质半导体 叫做P型(空穴型)半导体。
综上所述，在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。因而对半导体掺杂是改变半导体导电性能的有效方法。
无论是N型半导体还是P型半导体，其中的正电荷量与负电荷量
都是相等的。如在N型半导体内，磷原子失去电子后形成的正离子数与本征激发产生的空穴数之和，等于磷原子提供的
自由电子数与本征激发的自由电子数之和，所以自由电子是多数载流子并不表明N型半导体 带负电，它对外部呈现电中性； 类似地，P型半导体对外部也呈现电中性。
1.1.3PN结
在本征半导体中掺入杂质后，载流子数目剧增，相应导电能力也大大加强。
1. 半导体内部载流子的运动
半导体没有外加电场时，内部的载流子处于杂乱
无序的运动状态，它们自由地向各处移动。有外加电场后，载流子在电场作用下将有序地定 向运动。在呈电中性的半导体中，如
果一种载流子的分布不均匀，即浓度有差别时，载流子会从浓度高的区域向浓度低的区域扩散，载流子作微观上无序但宏观上有序的运动，从而形成 电流。这种由于载流子扩散运动形成的电流叫做扩散电流。
2. PN结的形成
在一块完整的硅片上，用一定的工艺使其一边形成P型半导体
，另一边形成N型半导体，在这两种不同半导体的交界面附近会形成一个特殊的区域——PN结。
N型半导体中电子是多数载流子，P型半导体中空穴是多数载流子，它们结合在一起时，存在 明显的浓度差。N区的电子必然向P区扩散，P区的空穴也必然向N区扩散。当载流子通过两 种半导体的交界面后，N区的电子与P区的空穴复合，P区的空穴与N区的电子复合，如图12
所示。在交界面附近，N区出现了带正电的杂质离子区域，这些杂质离子不能移动，不能 参与导电，结果使这一区域带有正电荷； P区同样出现不能移动的负离子，相应的这一区域
带有负电荷。这些正负离子所在区域形成一个空间电荷区，即PN结 。在空间电荷区内，P区空穴和N区的电子在扩散过程中复合，载流子
的数目很少，即载流子的浓度从很高迅速下降至很低，所以PN结又称为耗尽层。交界面两侧空间电荷的存在，使得这个区域产生了由N区指向P区的内电场 。载流子浓度越大，空间电荷区 越宽，内电场越强。注意到内电场的
方向与多子扩散运动的方向相反，所以它阻碍了 两区域多子的扩散，
图12PN结的形成
因此，又将PN结称为阻挡层。内电场虽然阻碍各方载流子向对方扩散，但却促使双方的少数载流子向对方
漂移(P区的电子向N区漂移，使空间电荷区内的正离子数减少； N区的空穴向P区漂移 ，使负离子数也减少)，其结果是空间电荷区有变窄的趋势。另一方面，空间电荷区变窄后 ，内电场对多子扩散的阻碍作用减弱，又使得多数载流子继续向对方扩散，PN结又有加宽的 趋势。最终当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，PN结的宽度和内电场的场强都 稳定下来。
PN结的宽度一般为数微米。内电场的电压与半导体材料、掺杂浓度及环境温度有关。在室 温下，硅材料PN结的电压约为0.6～0.7V，锗材料PN结的电压约为0.1～0.3V。
3. PN结的特性
讨论PN结的性质时，不仅要了解其内部的情况，更重要的是通过它掌握PN结外加电压后所呈
现的特性，而PN结的基本特性就是单向导电性。另外，还存在着电容效 应，这在外加高频电压时就会呈现出来。
(1) 单向导电性
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