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第三章 基本电子器件 第一节 半导体PN 结 自然界的物质（固体），按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三类。物质的导电能力可以用它的 2 电阻R （欧姆 ）或电阻率ρ（电阻率mm /m 是物体在单位横截面积，单位长度下的电阻）来衡量。导电能力很强 的物质称为导体，导体（如金属）原子最外层的电子受原子核的束缚作用很小，在外场的作用下可以沿外场相反的 2 方向移动，导体的电阻率ρ一般在0.01～1mm /m 之间。绝缘体是导电能力极弱的物质（如橡胶、陶瓷）。这种物 14 2 质的核外电子被束缚得很紧，外场不能令其自由移动。绝缘体的电阻率大于10 mm /m。半导体是导电能力介于导 13 2 体和绝缘体之间的物质。其电阻率在10～10 mm /m 之间。如硅、锗、硒、砷化镓等都属于半导体。半导体的电阻 率对温度，光照等外部条件的变化和自身成分的变化十分敏感，它的这些特性是用于制作各种半导体器件的基础。 纯净的，具有完整晶体结构的半导体叫本征半导体。例如锗和硅，其原子的最外层都是四个电子，将它们提 纯并形成单晶体后，锗原子和硅原子就是按四角形系统组成晶体点阵，即每个原子处于正四面体中心，另有四个位 于四面体的顶点，如图3-1-1 所示。由于原子之间靠得很近，原来分属于每个离子的价电子就要受到相邻原子的影 响而使价电子为两个原子所共有，即形成了晶体中的共价键结构（图3-1-2）。 图3-1-1 本征型半导体的空间结构 图3-1-2 本征型半导体的共价键结构 本征半导体共价健结构中的电子受到两个原子核的吸引力而被束缚。它们不像导体中的价电子那么自由，但 也不像绝缘体中的电子被束缚得那么紧。在室温下，由于热激发，会使一些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的 束缚成为自由电子。这种现象叫做本征激发。当电子跑出其价键成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，这个 空位称作空穴。在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现的，有一个自由电子就有一个空穴，如图所示。在 外加电场作用下，半导体中出现两部分电流：即自由电子作定向移动而形成的电子电流和仍被原子核束缚的价电子 递补空穴而形成的空穴电流。因此，自由电子和空穴都称为载流子。两种载流子同时参与导电是半导体导电方式的 最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质区别所在。 图3-1-3 本征型半导体载流子的产生 若在四价的硅(或锗)晶体中掺入少量五价元素磷(P)，晶体点阵中磷原子就会占据某些硅原子原来的位置，如 图3-1-4 所示。磷原子中的5 个价电子只有4 个能够和相邻的硅原子组成共价键结构，余下的一个电子因不受共 价键的束缚，容易挣脱磷原子核的吸引而成为自由电子。于是自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导 体的主要导电方式，故称其为电子型半导体或N 型半导体。N 型半导体中，由于自由电子数远大于空穴数，因此自 由电子是多数载流子(简称多子)，空穴是少数载流子(简称少子)。由于磷原子是施放电子的，故称磷为施主杂质。 图3-1-4 电子型半导体载流子的产生 图3-1-5 空穴型半导体载流子的产生 若在硅(或锗)的晶体中掺入三价元素硼（B），由于硼原子只有3 个价电子，因而在组成共价键结构时，因缺 少一个价电子而多出一个空穴，如图3-1-5 所示。于是半导体中空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主 要导电方式，故称它为空穴型半导体或P 型半导体。由于硼原子是接受电子的，故称为受主杂质。在P 型半导体 中，空穴为多子，自由电子为少子。 让N 型和P 型的晶体互相接触，或者在一块本征晶片上分别掺杂做出P 型和N 型的两个异型区，这样就得到 了一个最基本的半导体器件。在这里因P 区内空穴很多，空穴要从浓度高的P 区向N 区扩散， N 区内电子很多， 电子要从浓度高的N 区向P 区扩散，这些多数载流子由于浓度的差异扩散到对方并互相复合（或者说将载流子消 耗尽），使得P 区和N 区分别因失去空穴和电子而在交界面两侧留下带负电和正电的离子，形成了一个