半导体简介

半导体简介

顾名思义：导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulato接收的英文 r)之间

的材料，叫做半导体（miconductor）．

物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。

我们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶

体、琥珀、陶瓷等等，称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金属

如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝

缘体之间的材料称为半导体。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发

现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导

体的存在才真正被学术界认可。

半导体的分类，按照其制造技术可以分为：分立器件、光电半导

体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。

此外还有以应用领域、设计方法等进行分类，最近虽然不常用，单还

是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其规模进行分类的方法。此外，

还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功

能进行分类的方法。

半导体定义

电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。

半导体室温时电阻率约在10E-5～10E7欧米之间，温度升高时电

阻率指数则减小。

半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体

两大类。

锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物

（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-如字成语 Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、

铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶

体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半

导体、有机半导体等。

半导体（东北方言）：意指半导体收音机，因收音机中的晶体管由

半导体材料制成而得名。

本征半导体

不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，

半导体的价带是满带(见能带理论)，受到热激发后，价带中的部分电

子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价

带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。导带中的电

子和价带中的空穴合称电子 - 空穴对，均能自由移动，即载流子，它

们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电

和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本

征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复

合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。

在一定温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平

衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温

度升高时，将产生更多的电子 - 空穴对，载流子密度增加，电阻率减

小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。

半导体特点

半导体三大特性∶搀杂性、热敏性和光敏性。

★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导

电性能具有可控性。

★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。

晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。

共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不

但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道

上，成为共用电子，构成共价键。

自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够

的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。

空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位

置称空穴。

电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成

电子电流。

空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定

向移动），形成空穴电流。

本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电

荷极性不同，它们运动方向相反。

载流子：运载电荷的粒子称为载流子。

导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。

本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和

空穴均参与导电。

本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本

征激发。

复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，

使两者同时消失，这种现象称为复合。

动态平衡：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴

对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。

载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的

浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。当温度升高时，热

运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载

流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，

导电性能变差。

结论：本征半导体的导电性能与温度有关。半导体材料性能对温

度的敏感性，可制作热敏和光敏器件，又造成半导体幼儿园教研总结 器件温度稳定性

差的原因。

杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂

质元素，可得到杂质半导体。

N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代

晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。

多数载流子：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，

称为多数载流子，简称多子。

少数载流子：N型半导体中，空穴为少数载流子，简称少子。

施子原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。

N型半导体的导电特性：它是靠自由电子导电，掺入的杂质越多，

多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强。

P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代

晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。

多子：P型半导体中，多子为电子。

少子：P型半导体中，少子为空穴。

受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。

P型半导体的导电特性：掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度

就越高，导电性能也就越强。

结论：

多子的浓度决定于杂质浓度。

少子的浓度决定于温度。

PN结的形成：将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，

在它们的交界面就形成PN结。

PN结的特点：具有单向导电性。

扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种

由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。

空间电荷区：扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区

的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出

现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动，称为空间电荷区。

电场形成：空间电荷区形成内电场。

空间电荷加宽，内电场增强，其方向由N最大的鲸 区指向P区，阻止扩散

运动的进行。

漂移运动：在电场力作用下，载流子的运动称漂移运动。

PN结的形成过程：如图所示，将P型半导体与N型半导体制作

在同一块硅片上，在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多

子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN

结。

PN结的形成过程

电位差：空间电荷区具有一定的宽度，形成电位差Uho，电流为

零。

耗尽层：绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴的数目都非常少，

在分析PN结时常忽略载流子的作用，而只考虑离子区的电荷，称耗

尽层。

PN结的单向导电性

PN结的单向导电性

P端接电源的正极，N端接电源的负极称之为PN结正偏。此时

PN结如同一个开关合上，呈现很小的电阻，称之为导通状态。

P端接电源的负极，N端接电源的正极称之为PN结反偏，此时

PN结处于截止状态，如同开关打开。结电阻很大，当反向电压加大到

一定程度，PN结会发生击穿而损坏。

伏安特性曲线

伏安特性曲线：加在PN结两端的电压和流过二极管的电流之间

的关系曲线称为伏安特性曲线。如图所示：

PN伏安特性

正向特性：u>0的部分称为正向特性。

反向特性：u<0的部分称为反向特性。

反向击穿：当反向电压超过一定数值U（BR）后，反向电流急剧

增加，称之反向击穿。

势垒电容：耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb。

变容二极管：当PN结加反向电压时电脑快捷方式 ，Cb明显随u的变化而变化，

而制成各种变容二极管。如下图所示。

PN结的势垒电容

平衡少子：PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子。

非平衡少子：PN结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴

和从N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子。

扩散电容：扩散区内电荷的积累和释放过程与电容器充、放电过

程相同，这种电容效应称为Cd。

结电容：势垒电容与扩散电容之和为PN结的结电容Cj。

半导体杂质

半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中掺入微量杂质

时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁

带中产加的杂质能级。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、

砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中

有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价结合，多余的一个电子被束

缚于杂质原子附近，产生类氢能级。杂质能级位于禁带上方靠近导带

底附近。杂质能级上的电子很易激发到导带成为电子载流子。这种能

提供电子载流子的杂质称为施主，相应能级称为施主能级。施主能级

上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多

（图2）。在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，

杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，

因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是杂质能级，通常位

于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发到杂质能级上填补这

个空位，使杂质原子成为负离子。价带中由于缺少一个电子而形成一

个空穴载流子（图3）。这种能提供空穴的杂质称为受主杂质。存在受

主杂质时，在价带中形成一个空穴载流子所需能量比本征半导体情形

要小得多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。加热或光照产生的热激

发或光激发都会使自由载流子数增加而导致电阻率减小，半导体热敏

电阻和光敏电阻就是根据此原理制成的。对掺入施主杂质的半导体，

导电载流子主要是导带中的电子，属电子型导电，称N型半导体。掺

入受主杂质的半导体属空穴型导电，称P型半导体。半导体在任何温

度下都能产生电子-空穴对，故N型半导体中可存在少量导电空穴，P

型半导体中可存在少量导电电子，它们均称为少数载流子。在半导体

器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。

PN结

P型半导体与N型半导体相互接触时，其交界区域称为PN结。P

区中的自由空穴和N区中的自由电子要故事会经典故事 向对方区域扩散，造成正负电

荷在 PN 结两侧的积累，形成电偶极层(图4 )。电偶极层中的电场方

向正好阻止扩散的进行。当由于载流子数密度不等引起的扩散作用与

电偶层中电场的作用达到平衡时，P区和N区之间形成一定的电势差，

称为接触电势差。由于P 区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子

复合，而N区中的电子向P区扩散后与P 区中的空穴复合，这使电偶

极层中自由载流子数减少而形成高阻层，故电偶极层也叫阻挡层，阻

挡层的电阻值往往是组成PN结的半导体的原有阻值的几十倍乃至几

百倍。

PN结具有单向导电性，半导体整流管就是利用PN结的这一特性

制成的。PN结的另一重要性质是受到光照后能产生电动势，称光生伏

打效应，可利用来制造光电池。半导体三极管、可控硅、PN结光敏器

件和发光二极管等半导体器件均利用了PN结的特性。