1.1 PN結
1.1.1 半導體基礎知識
1.半導體的定義
自然界的物質，由于其內部原子本身的結構和原子與原子之間的結合方式不同而具有不同的導電性。根據物質的導電性，可分為導體、絕緣體和半導體。
導體是指導電性能良好的物質，主要靠自由電子導電，如金、銀、銅、鐵等。
絕緣體是指不能導電的物質，如塑料、橡膠、陶瓷、玻璃等。
半導體是指導電性能介于導體和絕緣體之間的物質，主要靠自由電子和空穴導電，如硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）等。硅和鍺是4價元素，原子的最外層軌道上有4個價電子，如圖1.1-1所示。
圖1.1-1 硅和鍺的原子結構圖
2.半導體的性質
（1）熱敏性。
半導體對溫度變化很敏感。當環境溫度升高時，導電能力明顯增強。溫度每升高10℃，半導體的電阻率將減少原來的1/2。這種特性對半導體器件的工作性能有許多不利的影響，但利用這一特性可以制成自動控制系統中常用的熱敏電阻，它可以感知萬分之一攝氏度的溫度變化。
（2）光敏性。
半導體受到光照時，其導電能力明顯變化。例如，半導體材料硫化鉻（CdS），在一般燈光照射下，它的電阻率是移去燈光后的數十分之一甚至數百分之一。自動控制中用的光電二極管、光電三極管和光敏電阻等，就是利用這一特性制成的。
（3）摻雜性。
當往純凈的半導體中摻入某些雜質，其導電能力明顯改變。例如，在半導體硅中只要摻入億分之一的硼（B），其電阻率就會下降到原來的數萬分之一。因此，用控制摻雜濃度的方法，可以人為地控制半導體的導電能力，制造出各種不同性能、不同用途的半導體器件。
3.本征半導體和雜質半導體
（1）本征半導體。
純凈晶體結構的半導體，稱為本征半導體。常用的半導體材料有硅和鍺。由于它們原子結構的最外層軌道上有4個價電子，當把硅或鍺制成晶體時，它們是靠共價鍵的作用而緊密聯系在一起的，如圖1.1-2所示。
圖1.1-2 硅和鍺的共價鍵結構
在室溫下，價電子獲得足夠的能量可以掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子，這種現象稱為本征激發。這時，共價鍵中就留下一個空位，這個空位稱為空穴。空穴的出現是半導體區別于導體的一個重要標志。
在半導體中，有兩種載流子，即空穴和自由電子。在本征半導體中，它們總是成對出現。利用摻雜的特性，可以在本征半導體中摻入微量的雜質，使其導電性發生顯著的改變。
（2）雜質半導體。
由于本征半導體中兩種載流子的濃度很低，其導電性能很差。因此向晶體中適量地摻入特定的雜質來改變它的導電性，這種半導體被稱為雜質半導體。
雜質半導體可分為P型半導體和N型半導體兩大類。
在本征半導體內摻入少量的三價元素（如硼或銦等）就形成P型半導體，因為硼原子只有3個價電子，與周圍硅原子組成共價鍵時，缺少一個電子，便在晶體中產生空穴。這樣，晶體中的空穴數就遠大于自由電子數，所以空穴為多數載流子，簡稱多子；自由電子為少數載流子，簡稱少子，如圖1.1-3（a）所示。
圖1.1-3 P、N型半導體平面結構示意
N型半導體是在本征半導體內摻入5價元素（如磷、砷或銻等）形成的。其內部自由電子為多數載流子，空穴為少數載流子，如圖1.1-3（b）所示。
由于N型半導體和P型半導體對于初學者容易混淆，我們不妨結合表1.1-1進行比較記憶。
表1.1-1 N型半導體與P型半導體的比較
1.1.2 PN結
1.PN結的形成
在一塊純凈半導體基片上，通過特殊工藝，使它一邊成為P型半導體，另一邊成為N型半導體，則兩種半導體的交界面上就形成了一個具有特殊電性能的薄層——PN結。
PN結具有單向導電性。這是因為，在交界面兩側存在著電子和空穴的濃度差，N區的電子要向P區擴散（同樣P區的空穴也向N區擴散，這叫擴散運動），并與P區的空穴復合，如圖1.1-4（a）所示。在交界面兩側產生了數量相同的正負離子，形成了方向由N到P的內電場，如圖1.1-4（b）所示。這個內電場對多子的擴散運動起阻止作用，同時又對少子起推動作用，使其越過PN結，這稱為漂移運動。顯然擴散與漂移形成的電流方向是相反的，最終擴散運動與漂移運動會達到動態平衡，這樣就形成了有一定厚度的PN結。
圖1.1-4 半導體PN結的形成
2.PN結的特性
PN結具有單向導電性，即加正向電壓導電，加反向電壓不導電。PN結的單向導電特性具有很重要的理論及實用意義，它是分析半導體二極管和三極管工作原理的基礎。
（1）PN結正向導電。
如圖1.1-5（a）所示，當給PN結加上正向電壓，即P區接高電位，N區接低電位時，外電場的方向與內電場的方向相反，則內電場被減弱，使得空穴與電子的擴散能夠繼續進行，PN結變薄，呈現較小的正向電阻，相當于導通，即PN結導電。
（2）PN結反向不導電。
如圖1.1-5（b）所示，當給PN結加上反向電壓，即P區接低電位，N區接高電位時，外電場的方向與PN結電場的方向相同，則內電場增強，使得擴散不能進行，只有漂移運動，PN結變厚，相當于截止，即PN結不導電。
圖1.1-5 PN結的單向導電性
小結
半導體的導電能力隨著摻入雜質、溫度、光照、環境和氣體等條件的不同而發生很大變化。例如，不含雜質的純凈水不導電；而含有雜質的水卻能導電。
半導體中的載流子數量及導電性能會隨摻入雜質的多少而發生變化。
練一練1
1.半導體是一種導電能力介于______與______之間的物質。
2.半導體按導電類型分為______型半導體與______型半導體。
3.N型半導體主要靠______來導電，P型半導體主要靠______來導電。
4.P型半導體中的多數載流子是______，少數載流子是______。
5.N型半導體中的多數載流子是______，少數載流子是______。
6.PN結的正向接法是P型區接電源的______極，N型區接電源的______極。
7.PN結具有______性能，即加正向電壓時，PN______結，加反向電壓時，PN結______。