1.1 半导体和PN结

自然界中，硅（Si）、锗（Ge）、砷（As）、碲（Te）等都是半导体物质，制造二极管主要是用硅和锗。这里以硅为例，先讨论物质结构及特性，然后深入研究PN结及其特性。

1.1.1 半导体的物质结构

物质由分子或原子构成，分子也由原子构成。下面简介半导体物质的原子结构。

1.半导体的原子结构

（1）原子结构图

根据原子结构理论，原子是由原子核和核外电子组成的，即

图1-1（a）、（b）所示分别为硅、锗的原子结构示意图。图中，实线圆表示位于原子中心的原子核；虚线圆上的黑点表示核外按层次排布的电子；虚线圆表示电子围绕原子核运动的轨迹。原子核与电子都带电，电子带负电，原子核带正电。

原子结构图中通常只画出电子和原子核，并在原子核内标出核电荷数，用“+”表示原子核带正电。图1-1（a）中，单个硅原子中有14 个带负电荷的电子，原子核正电荷数也为14。原子结构图表明，整个原子保持电中性。

原子核又是由质子和中子组成的。一个质子带一个基本电荷的正电，呈现正电性；中子不带电荷，不显电性。原子核的核电荷数由质子数决定，正常情况下，质子正电荷数跟核外电子数相等。若按核电荷数由小到大的顺序对元素进行编号，这个编号就是原子序数。原子序数、核电荷数、核内质子数、核外电子数有如下关系：

原子序数=核电荷数=核内质子数=核外电子数

（2）核外电子的运动

电子是带负电的微小粒子，位于原子核外，不停地运动。电子运动与普通物体运动状态不同，同时具有多种运动形式，一是电子本身做自转运动，二是电子在一定范围内不停地绕原子核做圆周运动。

电子不停地绕原子核做圆周运动的同时，还在直径约10−10m的空间内做高速运动，如图1-2所示。在这很小的空间内，电子运动没有确定的轨道，但这个小空间却与原子核保持一定距离，并绕核运动。小空间绕核运动的区域，称为电子运动层，简称电子层。硅原子有三层电子层。

（3）核外电子的排布层

研究表明，原子中电子的排布遵循如图1-2所示的规律。

研究还表明，每一电子层上电子个数是确定的，为2n2个。其中，n=1、2、3、4、5、6，表示电子层数。据此，就可算出每一电子层中的电子个数，也可描画出单个原子结构图。当最后一层电子数不足2n2 个时，就为所剩数。例如，硅原子最后一层的电子数是14−（2+8）=4。

硅、锗原子的电子排布情况如图1-1与表1-1所示。

（4）核外电子的能量

原子核带正电，它将带负电的电子吸引在其周围，有的电子距原子核近，有的距原子核远。电子不停地绕核做圆周运动时，如果电子动能增加，离心力会增大，电子将克服原子核的吸引力，向远离原子核的电子层移动。相反地，动能小的电子，受原子核吸引力大，将被吸到离原子核较近的电子层上。因此，常将电子层叫做电子能级层。

在同一电子层中，电子能量有差别。据此，可把每一电子层再分成一个或几个亚电子层，这里不做深入讨论。从图1-2中可以看出，在同一电子层上，有的电子处在电子层内边缘，有的处在电子层中部，有的则处在电子层外边缘。

电子在核外正常排布时，总是尽量先占有能量最低的能级层（K层）。最低能级层占满后，便依次占有能量较高的能级层（L……层），这样的原子结构最稳定。

还应指出，特殊情况下，如果电子从外界获得额外能量（如温度升高时电子能获得额外能量）会从低能级层移动到高能级层。原子上述特点，是分析PN结特性的基础。

2.半导体的原子结合

原子可以结合成分子，构成物质，它是相邻原子之间通过化学键连接而成的稳固结构，要破坏这种连接就要消耗比较大的能量，这就是原子之间相互结合的主要因素。

化学键的类型主要有离子键、共价键、金属键等，不同物质的原子之间是依靠不同的化学键来结合的。例如，氯化钠的原子之间通过离子键连接；金属原子之间通过金属键连接；硅物质的原子之间通过共价键连接。由于只讨论半导体，所以下面只介绍共价键。

共价键是原子间通过“公用电子对”形成的，这种化学键能将相邻原子牢固地连接在一起。要了解共价键，应先明确“价电子”和“公用电子对”的概念。

原子最外层电子叫做价电子。硅原子最外层有四个价电子，所以称为四价元素。

原子外层有8 个电子时状态比较稳定，而单个硅原子最外层只有4 个电子，属非稳定状态。硅原子构成硅物质后，每个原子都吸引相邻原子最外层电子，以使自己趋于稳定状态。如图1-3所示，中间那个原子，一方面要吸引四个相邻原子的最外层电子到它的最外电子层，使自己趋于稳定状态。另一方面，它的最外层4个电子，也时常被吸引到相邻原子最外电子层，使其他原子趋于稳定状态。这样中间原子就与4个相邻原子形成了4个公用电子对。图中用椭圆圈起来的两个电子，就是公用电子对。

虽然电子对中两个电子可以出现在相邻原子最外电子层上，但两个电子并不会随意松散分开。这种公用电子对会使相邻原子牢固地联系在一起。可见，这是一种特殊形式的连接，是通过公用价电子实现的，因此将原子间这种连接叫做共价键连接。由上述可知，硅原子间是以共价键结合的。

3.半导体的晶体结构

根据物质中原子（分子）的排列形式，可分为晶体和非晶体两类。原子规则排列的物质称为晶体，原子无规则排列的物质称为非晶体。

图1-4是金刚石内原子排列的示意图，是有规则的晶体结构。

根据晶体中原子（分子）的种类及之间的不同作用，可把晶体分成离子晶体、分子晶体、原子晶体和金属晶体等若干类型。氯化钠以离子晶体形态存在，干冰以分子晶体形态存在，金属以金属晶体形态存在，半导体则以原子晶体形态存在。

用来制造二极管的硅或锗都是晶体，都是以共价键结合的，所以也称为共价晶体。

（1）原子晶体

在金刚石晶体里，每个碳原子都被4 个相邻碳原子包围着，并以共价键跟相邻4 个碳原子结合，成为正四面体结构，其共价键长为1.55×10−10m，键角为109°28′。正四面体结构向空间发展，便构成一种坚实、彼此联结的空间网格晶体，如图1-4所示。这种相邻原子之间以共价键相结合，形成空间网格结构的晶体，叫做原子晶体。硅、锗晶体都是原子晶体。

（2）单晶体与多晶体

按照整块晶体内部结构排列方向是否完全一致，晶体分为单晶体和多晶体。单晶体中的结构趋向完全一致，如图1-5（a）所示。多晶体中各部分晶体结构的趋向不完全一致，如图1-5（b）所示。多晶体不能直接用来制造晶体管元件，必须在单晶炉内炼成纯净、没有结构缺陷与差异的单晶体，才能用来制造二极管、三极管等半导体器件，因此也称二极管为晶体二极管。

1.1.2 半导体材料的特性

1.半导体的导电性能

物质按导电能力的差别分为导体、半导体和绝缘体三类。银、铜、铝、铁等容易导电，称为导体；橡皮、塑料、陶瓷、玻璃等很难导电，称为绝缘体。

自然界中还有一类物质，如硅（Si）、锗（Ge）等，它们的导电性能介于导体和绝缘体之间，常把这类物质称为半导体。半导体材料有很多种，除硅、锗外，还有砷、硒等单质以及砷化镓（GaAs）、磷砷化镓（PGaAs）等化合物。

2.半导体的电阻率

导体的电阻率很小，一般为10−3～10−6Ω•cm，因此导体容易导电。绝缘体的电阻率很大，一般为108～1020Ω•cm，因此绝缘体很难导电，或者说不能导电。

半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间，一般为10−3～108Ω•cm。这表明半导体导电能力有一个较宽的范围，这是因为半导体外部条件改变（温度变化）时，其内部载流子（导电粒子）密度会随之改变，导致电阻率发生变化。电阻率变小时，导电能力增强；电阻率变大时，导电能力减弱。在外界条件变化时，导体与绝缘体的电阻率虽然也有所改变，但不如半导体变化显著。

3.半导体中的电子载流子

不同物质电阻率差异的根本原因在于物质内部原子结合的方式、原子本身的结构及其内部运载电荷的粒子多少和运动速度不相同。运载电荷的粒子叫载流子。

比较来说，金属外层电子受原子核束缚力最小，因此有大量电子能挣脱原子核的束缚成为自由电子。自由电子就成为运载负电荷的载流子，称为“电子载流子”。它们在外电场作用下做定向运动形成电流，所以金属导电性能良好。

绝缘材料中，原子最外层电子受原子核束缚力很大，不容易挣脱出来，形成自由电子的机会非常小，不能形成电子载流子。这一特点决定了绝缘材料的电阻率很高。

半导体原子结构较特殊，其外层电子不像导体那样容易挣脱，也不像绝缘体那样束缚很紧，这就决定了半导体的载流子和导电特性介于导体和绝缘体之间。这是区别导体、半导体、绝缘体导电能力的本质。

硅、锗是制造半导体器件用得最多的两种材料，在载流子密度方面，当室温和外界条件相同时，锗材料中载流子密度比硅材料中载流子密度大一千多倍。也就是说，硅比锗的电阻率大一千多倍。现在多以硅材料来制造二极管、三极管、晶闸管和场效应管等半导体器件。

4.半导体中的空穴载流子

半导体还有一个特性，就是它不仅有电子载流子，还有“空穴载流子”。

由图1-3 可知，两个相邻硅原子间，都以共价键结合，其中两个公用电子称为“电子对”，也叫价电子。电子对中任何一个电子，一方面绕自身原子核运动，另一方面也时常跑到相邻原子最外电子层上，这是共价键中电子对的特点。

半导体硅在热力学温度为0K和没有外界影响的条件下，通常不产生自由电子。但在温度升高或受到光线照射时，其共价键中价电子便能从外界获得足够大的能量，挣脱原子核束缚成为自由电子。自由电子离开原来位置后，就留下一个空位，称为“空穴”，如图1-6 所示。在共有化运动中，因为存在着空穴，附近的公用电子很容易跑过来填补空穴，从而形成电子载流子。另外，电子移动相当于空穴在向相反方向移动，为了区别这一点，就把空穴的移动叫做空穴运动。无论是从效果上看，还是从现象上看，空穴运动都是存在的。空穴运动同样形成电流，通常叫做空穴电流。

需要指出，在没有外加电场作用下，半导体中自由电子运动和空穴运动都是无规则的，平均位移为零，并不产生电流。外加电场后，自由电子将沿逆电场方向运动，同时空穴也等效地沿电场方向运动。这表明，空穴也是一种载流子，称为空穴载流子，它能运载正电荷形成空穴电流。空穴形成电流的方向与电子形成电流的方向相反。

半导体外加电压时，形成的电流可以看做两部分。一部分是电子定向运动形成电子电流，另一部分是空穴等效运动形成空穴电流。这是半导体导电的一个重要特性。

5.电子–空穴对及其特性

（1）电子–空穴对的产生与复合

物质总是不停地运动，在室温为27℃（300K）条件下，硅和锗中电子能量将增大，一部分价电子能挣脱原子核束缚，使半导体里不断产生自由电子和空穴。因此，电子和空穴总是相伴而生、成对出现，通常称之为“电子–空穴对”。

在纯净半导体中，外界条件改变时，将不断地产生电子–空穴对，这一过程称为产生。另一方面，自由电子与空穴在运动过程中又会相遇，电子释放能量填补到空穴中，恢复原子结合的共价键，这样电子–空穴对又消失了，这一过程称为复合。

电子–空穴对的产生与复合，是半导体中电子热运动产生的必然结果。

（2）电子–空穴对产生和复合的动态平衡

在一定温度下，如果没有其他外界条件影响，电子–空穴对的产生、复合会达到相对的动态平衡，使载流子浓度保持为一定的热平衡值。这时，产生和复合虽然仍在进行，但产生的载流子数与复合的载流子数相等，两者相互抵消，使得载流子浓度的热平衡值不变，电子–空穴对始终维持一定数目。

温度升高时，产生的载流子数增多，随着载流子数量增多，复合的载流子数也跟着增多，最后载流子在较大浓度值下达到新的动态平衡。

另外，半导体在温度保持不变但受到光线照射时，产生载流子数量将比无光照时多，复合的数量也随着增多，最后载流子将在大于该热平衡的浓度值下，达到新的动态平衡。

1.1.3 PN结及其特性

随着科技发展和对半导体的深入研究，人们发现半导体掺入杂质，能使其导电性能大大增强。二极管的制作正是利用了这个突出特点。

掺入杂质就是在纯半导体中掺入其他物质，掺入的物质就叫杂质。例如，在4 价硅（Si）中掺入3价硼（B），能使半导体中空穴载流子数目剧增，导电特性大为加强。在4价硅中掺入5价磷（P），能使半导体中电子载流子数目剧增，同样使半导体导电特性大为加强。

如果在纯净半导体中掺入杂质使空穴数目增多，就称为空穴型半导体，记为P型半导体。若在纯净半导体中掺入杂质使电子数目增多，就称为电子型半导体，记为N型半导体。

通常，掺入杂质是在提炼单晶的工艺中一起完成的，单晶硅和单晶锗就是指掺杂后的半导体材料，二极管就是用掺杂后的半导体材料制成的。

1.P型半导体

在4价硅中掺入3价的硼（或铝、镓、铟）后，由于硼原子最外层只有3个价电子，它在与4个硅原子组成共价键时，就缺少一个价电子，因而形成一个空穴，如图1-7所示。这时，相邻4价硅的价电子会来填补这个空位置，又产生新的空穴。掺入的硼越多，产生的空穴就越多，硅晶体里几乎没有自由电子，主要是靠空穴来导电，这样的硅称为P型硅，或称为P型半导体。

2.N型半导体

在纯净硅中掺入5 价的磷（或砷、锑）后，由于磷原子最外层有5 个价电子，它在与周围4个硅原子组成共价键时就多出一个价电子，成为自由电子，如图1-8所示。掺入的磷越多，产生的自由电子就越多。这时硅晶体内几乎没有空穴，主要靠电子导电，这样的硅就称为N型硅，或称为N型半导体。

3.PN结的形成及特性

（1）PN结的形成

在P型半导体上采用一定工艺方法，再生成N型半导体，于是在P型半导体与N型半导体的结合面就产生一个交结区，这个交结区就称为PN结。PN结两边的半导体则称为P区和N区，如图1-9 所示。深入讨论PN结的特性，就是载流子的扩散运动与漂移运动形成单向导电的阻挡层。

（2）载流子的扩散运动

上面讲过，在P型半导体中，由于硅原子的电子会填补硼原子的空位，便使硼成为负离子，也使P型半导体中的载流子主要是空穴，如图1-10（a）所示。而在N型半导体中，磷原子与硅原子以共价键连接后，磷原子就多出一个电子成为自由电子，使磷成为正离子，也使N型半导体中的载流子主要是电子，如图1-10（b）所示。

在P型半导体与N型半导体结合后，由于P型半导体里空穴浓度大（几乎没有电子），N型半导体里电子浓度大（几乎没有空穴），所以空穴就经交界面向N区扩散，电子则经交界面向P区扩散，如图1-10（c）所示。

扩散是浓度（密度）差别形成的，它是否要进行到整个P区和N区里两种载流子全部均匀（浓度相等）后才停止呢？事实并非如此。随着载流子的扩散，在交界面附近，空穴与电子相遇会复合。于是在P区留下负离子，用“”表示。负离子被束缚在晶体结构中，不能自由移动。同样，在N区就留下正离子被束缚在晶体结构中，也不能自由移动，用“”表示。结果在PN结交界面附近就产生一层很薄的空间电荷区，如图1-10（d）所示

在空间电荷区内，负离子使左边带负电，正离子使右边带正电，于是形成PN结内部的电场。该电场的方向恰好与载流子（空穴和电子）扩散方向相反，将阻止空穴继续向N区扩散，也阻止电子继续向P区扩散，因此又称空间电荷区为阻挡层。

（3）载流子的漂移运动

PN结产生阻挡层后，载流子仍会运动，载流子在电场阻碍力下的运动称为漂移运动。

在扩散开始的时候，扩散运动占优势，接连不断地进行。随着扩散进行，PN结空间电荷区逐渐加宽，内电场增大，扩散运动就转变为漂移运动，同时内电场也对载流子漂移的作用加剧，最后使扩散与漂移达到动态平衡。

PN结中载流子达到动态平衡后，P区和N区交界面附近就形成厚为几微米至几十微米的空间电荷区，空间电荷区的电场具有一定电位差（简称电压）。电场的电压建立在PN结内，叫PN结的内建电压。由于内建电压的存在，P、N区之间的载流子就不再相互移动，这就是扩散运动与漂移运动形成PN结的结果。

（4）PN结的单向导电特性

PN结的特性主要体现在阻挡层上，即阻挡层在外加电压作用下，只能使通过它的电流朝单一方向运动，因此常说PN结具有单向导电特性，这也是二极管工作原理的基础。