1.3.5　半导体基础

在变频器微电子电路中，很多芯片与电子控制元件都采用半导体材料，在学习二、三极管之前我们将半导体的基础知识做以了解。

1.3.5.1　自然界三种物质（导体、半导体、绝缘体）

大自然界的物质用导电性能来分析，可分为：导体、绝缘体、半导体。

（1）导体　一般将导电性能良好的物质称为导体，例如：铁、铜、铝、金、银，都可以导电。

（2）绝缘体　几乎不能导通电流的物质称为绝缘体，如陶瓷、橡皮、玻璃，通常情况下都不能导电。

（3）半导体　它的性能是都不像导体那样容易导通电流，又不像绝缘体那样几乎不能导通电流，它的导电性能介于导体与绝缘体之间，我们将此类物质称为半导体。

导体与绝缘体为什么有不同的导电特性呢？由于它们的物质内部原子本身的结构和原子与原子间的结合方式不同，它们的导电能力在于决定内部运载电荷的粒子——载流子的多少和运动速度的快慢。

1.3.5.2　半导体的共价键结构与共价电子

由于半导体元器件都是由硅Si或者锗Ge等生产制成的，我们应深入了解硅、锗半导体的结构特性。

① 硅Si：半导体，原子核内有14个正电荷，核外有14个电子，分三层，最外层4个电子。

② 锗：原子核内带32个正电荷，核外有32个电子分四层，最外层4个电子。

化学课程中，原子最外层电子数目决定了元素的性质。原子最外层具有8个电子，称为稳定结构。硅与锗元素最外层只有4个电子，如果要稳定必须要借用电子，硅原子在结合时，每个原子最外层的电子，不仅受到自身原子核的束缚，而且与周围相邻的4个原子发生联系。每个硅原子都从邻近的4个硅原子那里各借1个电子，使自己最外层有8个电子，同时它将自身的4个电子借给周围的4个原子，使它们形成稳定结构。这样每2个原子之间就会有一对电子被共用，这两个电子能出现在自身原子核的轨道上，同时也出现在相邻原子核的轨道上，将这对电子称为共价电子。共价电子所形成的束缚称为共价键。为什么我们要了解硅与锗元素的结构及共价电子与共价键呢，因为变频器中的二、三极管与场效应管、晶闸管、芯片在形成时，必须在半导体的基础上形成，了解了半导体的特性，就能更加深入地分析硅、锗半导体形成的元器件。

1.3.5.3　半导体的复合扩散与本征半导体

（1）半导体的复合　半导体在环境温度升高后，就激发出自由电子，同时出现数量相等的空穴，空穴与电子总是相伴而生的。但是，热激发后产生的自由电子在运动过程中又会重新回到自己的空位上，与空穴相结合。使电子空穴对消失，与激发相反的过程称为复合。

（2）半导体电子空穴的扩散　微粒在自由空间里，自发地从浓度较高的地方向浓度较低的地方运动，将这种现象称为扩散。在半导体中，空穴和自由电子，也是能运动的粒子，它们的空间有浓度差时，也会产生扩散运动。

（3）本征半导体

① 含义　原子按一定规律排列的很整齐的半导体叫本征半导体，也称为纯净的半导体，是没有杂质的。在半导体周围温度很低时存在共价键的稳定结构，电子全部控制在共价键里，本征半导体没有载流子，等效于绝缘体，不容易导电。

② 本征热激发　在常温下有少量的电子热运动，挣脱控制的共价键，出来变为自由电子，变成电子载流子，我们将此种现象称作本征热激发。热激发后产生的电子在外加电场作用下，产生带负电荷的电子电流。

③ 本征热激发后产生带正电荷的空穴载流子　由于本征热激发后价电子挣脱控制，成为自由电子，同时在共价键上留下一个缺少电子的空位子，这个空位子相当于与电子相同电量的自由正电荷，将这个空位子叫空穴，在电场作用下产生正电荷电流。

（4）N型与P型半导体的形式

① N型半导体的形式　我们在纯净的半导体硅中掺入少量的磷与锑五价元素，由于硅中带4个价电子，而磷与锑带五价电子，所以硅中掺磷后构成8个电子的稳定结构后，便剩余一价电子。由于硅中掺入磷后，每个磷原子总能贡献出一个自由电子，所以我们将这类电子称施主元素。N型半导体主要靠电子导电，称为电子型半导体。

② P型半导体的形成　我们给四价元素的硅中掺杂三价元素的硼，为了达到八个电子的稳定，于是硼原子向相邻元素借用一价电子达到它8个电子的稳定结构，于是在被借处就留有一个空位子，这个空位子就相当于等量的负电子正电荷空穴，所以空穴带正电荷。硅中掺硼后就产生大量的带正电荷的空穴。

（5）PN结的形成　将P型与N型半导体有效地结合在一起，P区带正电荷，N区带负电荷，在它们的交界面存在很高的浓度差，于是载流子将自发地产生扩散运动，P区几乎没有自由电子，于是N区的自由电子就越过PN结的交界面到P区与P区的空穴复合，这样电子空穴对就消失了。N区没有空穴，P区的空穴也将越过界面到N区与N区的电子复合，使电子空穴对消失。这样在交界面区域里，电子空穴对的数目大量减少，我们将该区域称为空间电荷区。这个区损耗了电荷称耗尽层。一个耗尽层就形成一个PN结，封装起来就形成二极管。PN结的单向导电实验与特性见图1-16。

图（a）给P区接电源正极，N区接电源负极。当开关闭合时，串联灯亮，说明可以导通，如果开关闭合灯不亮，就说明正向阻力大不导通。

图（b）给P区接电源负极，N区接电源正极，当开关闭合时串联灯不亮，说明PN结不导通，反向阻力很小。

通过实验可证明，PN结正向电阻小，正向导通电流大，反向电阻大，反向导通电流几乎为零，证明PN结具有单向导电特性。

（6）PN结的电容效应　二极管的P区与N区相当于电容器储存电荷的极板绝缘层，PN结界面相当于电容器的介质，所以PN结就构成了结电容，这个结电容在某些方面是有害的，容易通过高频电流，但是改变结电容的大小就可以改变容量，一般用在振荡电路中作调谐电容器。