1.3.5　半導體基礎

在變頻器微電子電路中，很多芯片與電子控制元件都采用半導體材料，在學習二、三極管之前我們將半導體的基礎知識做以了解。

1.3.5.1　自然界三種物質（導體、半導體、絕緣體）

大自然界的物質用導電性能來分析，可分為：導體、絕緣體、半導體。

（1）導體　一般將導電性能良好的物質稱為導體，例如：鐵、銅、鋁、金、銀，都可以導電。

（2）絕緣體　幾乎不能導通電流的物質稱為絕緣體，如陶瓷、橡皮、玻璃，通常情況下都不能導電。

（3）半導體　它的性能是都不像導體那樣容易導通電流，又不像絕緣體那樣幾乎不能導通電流，它的導電性能介于導體與絕緣體之間，我們將此類物質稱為半導體。

導體與絕緣體為什么有不同的導電特性呢？由于它們的物質內部原子本身的結構和原子與原子間的結合方式不同，它們的導電能力在于決定內部運載電荷的粒子——載流子的多少和運動速度的快慢。

1.3.5.2　半導體的共價鍵結構與共價電子

由于半導體元器件都是由硅Si或者鍺Ge等生產制成的，我們應深入了解硅、鍺半導體的結構特性。

① 硅Si：半導體，原子核內有14個正電荷，核外有14個電子，分三層，最外層4個電子。

② 鍺：原子核內帶32個正電荷，核外有32個電子分四層，最外層4個電子。

化學課程中，原子最外層電子數目決定了元素的性質。原子最外層具有8個電子，稱為穩定結構。硅與鍺元素最外層只有4個電子，如果要穩定必須要借用電子，硅原子在結合時，每個原子最外層的電子，不僅受到自身原子核的束縛，而且與周圍相鄰的4個原子發生聯系。每個硅原子都從鄰近的4個硅原子那里各借1個電子，使自己最外層有8個電子，同時它將自身的4個電子借給周圍的4個原子，使它們形成穩定結構。這樣每2個原子之間就會有一對電子被共用，這兩個電子能出現在自身原子核的軌道上，同時也出現在相鄰原子核的軌道上，將這對電子稱為共價電子。共價電子所形成的束縛稱為共價鍵。為什么我們要了解硅與鍺元素的結構及共價電子與共價鍵呢，因為變頻器中的二、三極管與場效應管、晶閘管、芯片在形成時，必須在半導體的基礎上形成，了解了半導體的特性，就能更加深入地分析硅、鍺半導體形成的元器件。

1.3.5.3　半導體的復合擴散與本征半導體

（1）半導體的復合　半導體在環境溫度升高后，就激發出自由電子，同時出現數量相等的空穴，空穴與電子總是相伴而生的。但是，熱激發后產生的自由電子在運動過程中又會重新回到自己的空位上，與空穴相結合。使電子空穴對消失，與激發相反的過程稱為復合。

（2）半導體電子空穴的擴散　微粒在自由空間里，自發地從濃度較高的地方向濃度較低的地方運動，將這種現象稱為擴散。在半導體中，空穴和自由電子，也是能運動的粒子，它們的空間有濃度差時，也會產生擴散運動。

（3）本征半導體

① 含義　原子按一定規律排列的很整齊的半導體叫本征半導體，也稱為純凈的半導體，是沒有雜質的。在半導體周圍溫度很低時存在共價鍵的穩定結構，電子全部控制在共價鍵里，本征半導體沒有載流子，等效于絕緣體，不容易導電。

② 本征熱激發　在常溫下有少量的電子熱運動，掙脫控制的共價鍵，出來變為自由電子，變成電子載流子，我們將此種現象稱作本征熱激發。熱激發后產生的電子在外加電場作用下，產生帶負電荷的電子電流。

③ 本征熱激發后產生帶正電荷的空穴載流子　由于本征熱激發后價電子掙脫控制，成為自由電子，同時在共價鍵上留下一個缺少電子的空位子，這個空位子相當于與電子相同電量的自由正電荷，將這個空位子叫空穴，在電場作用下產生正電荷電流。

（4）N型與P型半導體的形式

① N型半導體的形式　我們在純凈的半導體硅中摻入少量的磷與銻五價元素，由于硅中帶4個價電子，而磷與銻帶五價電子，所以硅中摻磷后構成8個電子的穩定結構后，便剩余一價電子。由于硅中摻入磷后，每個磷原子總能貢獻出一個自由電子，所以我們將這類電子稱施主元素。N型半導體主要靠電子導電，稱為電子型半導體。

② P型半導體的形成　我們給四價元素的硅中摻雜三價元素的硼，為了達到八個電子的穩定，于是硼原子向相鄰元素借用一價電子達到它8個電子的穩定結構，于是在被借處就留有一個空位子，這個空位子就相當于等量的負電子正電荷空穴，所以空穴帶正電荷。硅中摻硼后就產生大量的帶正電荷的空穴。

（5）PN結的形成　將P型與N型半導體有效地結合在一起，P區帶正電荷，N區帶負電荷，在它們的交界面存在很高的濃度差，于是載流子將自發地產生擴散運動，P區幾乎沒有自由電子，于是N區的自由電子就越過PN結的交界面到P區與P區的空穴復合，這樣電子空穴對就消失了。N區沒有空穴，P區的空穴也將越過界面到N區與N區的電子復合，使電子空穴對消失。這樣在交界面區域里，電子空穴對的數目大量減少，我們將該區域稱為空間電荷區。這個區損耗了電荷稱耗盡層。一個耗盡層就形成一個PN結，封裝起來就形成二極管。PN結的單向導電實驗與特性見圖1-16。

圖（a）給P區接電源正極，N區接電源負極。當開關閉合時，串聯燈亮，說明可以導通，如果開關閉合燈不亮，就說明正向阻力大不導通。

圖（b）給P區接電源負極，N區接電源正極，當開關閉合時串聯燈不亮，說明PN結不導通，反向阻力很小。

通過實驗可證明，PN結正向電阻小，正向導通電流大，反向電阻大，反向導通電流幾乎為零，證明PN結具有單向導電特性。

（6）PN結的電容效應　二極管的P區與N區相當于電容器儲存電荷的極板絕緣層，PN結界面相當于電容器的介質，所以PN結就構成了結電容，這個結電容在某些方面是有害的，容易通過高頻電流，但是改變結電容的大小就可以改變容量，一般用在振蕩電路中作調諧電容器。