1.1 PN结
1.1.1 半导体基础知识
1.半导体的定义
自然界的物质，由于其内部原子本身的结构和原子与原子之间的结合方式不同而具有不同的导电性。根据物质的导电性，可分为导体、绝缘体和半导体。
导体是指导电性能良好的物质，主要靠自由电子导电，如金、银、铜、铁等。
绝缘体是指不能导电的物质，如塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等。
半导体是指导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，主要靠自由电子和空穴导电，如硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子，如图1.1-1所示。
图1.1-1 硅和锗的原子结构图
2.半导体的性质
（1）热敏性。
半导体对温度变化很敏感。当环境温度升高时，导电能力明显增强。温度每升高10℃，半导体的电阻率将减少原来的1/2。这种特性对半导体器件的工作性能有许多不利的影响，但利用这一特性可以制成自动控制系统中常用的热敏电阻，它可以感知万分之一摄氏度的温度变化。
（2）光敏性。
半导体受到光照时，其导电能力明显变化。例如，半导体材料硫化铬（CdS），在一般灯光照射下，它的电阻率是移去灯光后的数十分之一甚至数百分之一。自动控制中用的光电二极管、光电三极管和光敏电阻等，就是利用这一特性制成的。
（3）掺杂性。
当往纯净的半导体中掺入某些杂质，其导电能力明显改变。例如，在半导体硅中只要掺入亿分之一的硼（B），其电阻率就会下降到原来的数万分之一。因此，用控制掺杂浓度的方法，可以人为地控制半导体的导电能力，制造出各种不同性能、不同用途的半导体器件。
3.本征半导体和杂质半导体
（1）本征半导体。
纯净晶体结构的半导体，称为本征半导体。常用的半导体材料有硅和锗。由于它们原子结构的最外层轨道上有4个价电子，当把硅或锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起的，如图1.1-2所示。
图1.1-2 硅和锗的共价键结构
在室温下，价电子获得足够的能量可以挣脱共价键的束缚，成为自由电子，这种现象称为本征激发。这时，共价键中就留下一个空位，这个空位称为空穴。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要标志。
在半导体中，有两种载流子，即空穴和自由电子。在本征半导体中，它们总是成对出现。利用掺杂的特性，可以在本征半导体中掺入微量的杂质，使其导电性发生显著的改变。
（2）杂质半导体。
由于本征半导体中两种载流子的浓度很低，其导电性能很差。因此向晶体中适量地掺入特定的杂质来改变它的导电性，这种半导体被称为杂质半导体。
杂质半导体可分为P型半导体和N型半导体两大类。
在本征半导体内掺入少量的三价元素（如硼或铟等）就形成P型半导体，因为硼原子只有3个价电子，与周围硅原子组成共价键时，缺少一个电子，便在晶体中产生空穴。这样，晶体中的空穴数就远大于自由电子数，所以空穴为多数载流子，简称多子；自由电子为少数载流子，简称少子，如图1.1-3（a）所示。
图1.1-3 P、N型半导体平面结构示意
N型半导体是在本征半导体内掺入5价元素（如磷、砷或锑等）形成的。其内部自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子，如图1.1-3（b）所示。
由于N型半导体和P型半导体对于初学者容易混淆，我们不妨结合表1.1-1进行比较记忆。
表1.1-1 N型半导体与P型半导体的比较
1.1.2 PN结
1.PN结的形成
在一块纯净半导体基片上，通过特殊工艺，使它一边成为P型半导体，另一边成为N型半导体，则两种半导体的交界面上就形成了一个具有特殊电性能的薄层——PN结。
PN结具有单向导电性。这是因为，在交界面两侧存在着电子和空穴的浓度差，N区的电子要向P区扩散（同样P区的空穴也向N区扩散，这叫扩散运动），并与P区的空穴复合，如图1.1-4（a）所示。在交界面两侧产生了数量相同的正负离子，形成了方向由N到P的内电场，如图1.1-4（b）所示。这个内电场对多子的扩散运动起阻止作用，同时又对少子起推动作用，使其越过PN结，这称为漂移运动。显然扩散与漂移形成的电流方向是相反的，最终扩散运动与漂移运动会达到动态平衡，这样就形成了有一定厚度的PN结。
图1.1-4 半导体PN结的形成
2.PN结的特性
PN结具有单向导电性，即加正向电压导电，加反向电压不导电。PN结的单向导电特性具有很重要的理论及实用意义，它是分析半导体二极管和三极管工作原理的基础。
（1）PN结正向导电。
如图1.1-5（a）所示，当给PN结加上正向电压，即P区接高电位，N区接低电位时，外电场的方向与内电场的方向相反，则内电场被减弱，使得空穴与电子的扩散能够继续进行，PN结变薄，呈现较小的正向电阻，相当于导通，即PN结导电。
（2）PN结反向不导电。
如图1.1-5（b）所示，当给PN结加上反向电压，即P区接低电位，N区接高电位时，外电场的方向与PN结电场的方向相同，则内电场增强，使得扩散不能进行，只有漂移运动，PN结变厚，相当于截止，即PN结不导电。
图1.1-5 PN结的单向导电性
小结
半导体的导电能力随着掺入杂质、温度、光照、环境和气体等条件的不同而发生很大变化。例如，不含杂质的纯净水不导电；而含有杂质的水却能导电。
半导体中的载流子数量及导电性能会随掺入杂质的多少而发生变化。
练一练1
1.半导体是一种导电能力介于______与______之间的物质。
2.半导体按导电类型分为______型半导体与______型半导体。
3.N型半导体主要靠______来导电，P型半导体主要靠______来导电。
4.P型半导体中的多数载流子是______，少数载流子是______。
5.N型半导体中的多数载流子是______，少数载流子是______。
6.PN结的正向接法是P型区接电源的______极，N型区接电源的______极。
7.PN结具有______性能，即加正向电压时，PN______结，加反向电压时，PN结______。