第1章 集成電路器件與模型

1.1 PN結與二極管

1.1.1 半導體與PN結

導電能力介于導體和絕緣體之間的物質稱為半導體。在半導體器件中最常用的是硅和鍺兩種材料，它們都是4價元素，在原子結構中最外層軌道上有4個價電子。物質的化學性質是由價電子決定的，導電性能也與價電子有關，其中純凈的半導體稱為本征半導體。半導體中存在兩種載流子，即帶負電荷的自由電子和帶正電荷的空穴。晶體中的共價鍵具有很強的結合力，在熱力學零度（-273.16℃）時，價電子沒有能力脫離共價鍵的束縛，晶體中沒有自由電子，半導體不能導電。室溫下，少數價電子因熱激發而獲得足夠的能量，因而能脫離共價鍵的束縛成為自由電子，同時在原來的共價鍵中留下一個空位，稱為空穴。

如果這時施加電場，電子將形成電子電流，空穴形成空穴電流。雖然兩種載流子的運動方向相反，但因它們所帶的電荷極性也相反，所以兩種電流的實際方向是相同的，它們的和即是半導體中的電流。本征半導體的導電能力很弱，但是摻入其他微量元素就會使其導電性能發生顯著變化。這些微量元素的原子稱為雜質，摻入雜質的半導體稱為雜質半導體，有N型和P型兩類。

PN結是構成各種半導體器件的基礎，指在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導體，另一邊形成P型半導體，那么在兩種半導體的交界面附近就形成了PN結。圖1.1為PN結示意圖。

圖1.1 PN結示意圖