1.1 半导体基础知识
半导体具有热敏性、光敏性和掺杂性。利用热敏性可制成各种热敏电阻；利用光敏性可制成光电二极管、光电三极管及光敏电阻；利用掺杂性可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和场效应管等。
1.1.1 半导体
半导体可分为本征半导体和掺杂半导体两种。
1. 本征半导体
本征半导体是一种纯净的、没有杂质的半导体晶体。常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。半导体的原子结构如图1.1所示。
图1.1 半导体的原子结构示意图
本征半导体的各原子间整齐而有规则地排列着，每个原子的4个价电子不仅受所属原子核的吸引，而且还受相邻4个原子核的吸引，每一个价电子都为相邻原子核所共用，形成了稳定的共价键结构。每个原子核最外层等效有8个价电子，由于价电子不易挣脱原子核束缚而成为自由电子，因此，本征半导体导电能力较差。
如果从外界获得一定的能量（如光照、温升等），则有些价电子就会挣脱共价键的束缚而成为自由电子，在共价键中留下一个空位，称为“空穴”。空穴的出现使相邻原子的价电子离开它所在的共价键来填补这个空穴，同时又产生了一个新的空穴。这个空穴也会被相邻的价电子填补而产生新的空穴。这种电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空穴在运动，并把空穴视为一种带正电荷的载流子。空穴越多，半导体的载流子数目就越多，这就是半导体的热敏性。
在本征半导体中，电子与空穴是成对出现的，称为电子-空穴对。其自由电子和空穴数目总是相等的，如图1.2所示。本征半导体在温度升高时产生电子-空穴对的现象称为本征激发。温度越高，产生的电子-空穴对数目就越多，这就是半导体的热敏性。
图1.2 单晶硅共价键结构与本征激发
小提示 虽然硅和锗同样是4价元素, 但硅的电子轨道比锗少一层, 价电子离原子核近。硅比锗更稳定。半导体器件中, 硅基本取代了锗。
2. 掺杂半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质元素，就会使半导体的导电性能发生显著改变。根据掺入杂质元素的性质不同，掺杂半导体可分为P型半导体和N型半导体两大类。
P型半导体是在本征半导体硅中掺入微量的3价元素（如硼）而形成的。因杂质原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，缺少1个电子，因此在晶体中便产生一个空穴，如图1.3所示。
在P型半导体中，原来的晶体仍会产生电子-空穴对，杂质的掺入，使得空穴数目远大于自由电子数目，成为多数载流子（简称多子），而自由电子则为少数载流子（简称少子）。因而P型半导体以空穴导电为主。
N型半导体是在本征半导体硅中掺入微量的5价元素（如磷）而形成的，杂质原子有5个价电子与周围硅原子结合成共价键，多出1个价电子，这个多余的价电子易成为自由电子，如图1.4所示。N型半导体多子为自由电子，少子为空穴。
图1.3 P型半导体的共价键结构
图1.4 N型半导体的共价键结构
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，半导体导电性能大大改善。多子主要是由掺杂产生的，少子是由本征激发产生的。
1.1.2 PN结及其单向导电性
1. PN结的形成
同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半导体，在它们的交界面附近会形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结。PN结的形成过程如图1.5所示。
图1.5 PN结的形成过程
由图1.5（a）可知，界面两边明显存在载流子的浓度差，N区的多子（电子）必然向P区扩散，并与界面附近P区的空穴复合，在N区留下一层不能移动的正电荷离子。同样，P区的多子（空穴）也会向N区扩散，并与界面附近的N区电子复合而消失，在P区留下一层不能移动的负电荷离子。扩散的结果是使界面出现了空间电荷区，如图1.5（b）所示。空间电荷区形成了一个由N区指向P区的内电场。内电场的存在阻碍了扩散运动，但使P区少子（电子）向N区漂移，N区的少子（空穴）向P区漂移。多子的扩散运动使空间电荷区加厚，而少子的漂移运动使空间电荷区变薄。当扩散与漂移达到动态平衡时，便形成了一定厚度的空间电荷区，称为PN结。由于电荷区缺少能移动的载流子，故又称PN结为耗尽层或阻挡层。
2. PN结的单向导电性
给PN结加上电压，使电压的正极接P区，负极接N区（即正向连接或正向偏置），如图1.6（a）所示。由于PN结是高阻区，而P区与N区电阻很小，因而外加电压几乎全部落在PN结上。由图可见，外电场将推动P区多子（空穴）向右扩散，与原空间电荷区的负离子中和；推动N区的多子（电子）向左扩散，与原空间电荷区的正离子中和，这样空间电荷区变薄，打破了原来的动态平衡。同时电源不断地向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，其结果是使电路中形成较大的正向电流，由P区流向N区。这时PN结对外呈现较小的阻值，处于正向导通状态。
图1.6 PN结的单向导电性
将PN结按图1.6（b）所示方式连接（称PN结反向偏置）。由图1.6（b）可见，外电场方向与内电场方向一致，它将N区的多子（电子）从PN结拉走，将P区的多子（空穴）从PN结拉走，使PN结变厚，呈现出很大的阻值，且打破了原来的动态平衡，使漂移运动增强。由于漂移运动是少子运动，因而漂移电流很小；若忽略漂移电流，则可以认为PN结截止。
综上所述，PN结正向偏置时，正向电流很大；PN结反向偏置时，反向电流很小。这就是PN结的单向导电性，也是PN结的最大特点。
小提示 PN结正偏时, 外电场抵消内电场；PN结反偏时, 外电场加强了内电场。