[組圖]什么是PN結(jié)及半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

在我們的日常生活中，經(jīng)?？吹交蛴玫礁鞣N各樣的物體，它們的性質(zhì)是各不相同的。有些物體，如鋼、銀、鋁、鐵等，具有良好的導(dǎo)電性能，我們稱它們?yōu)閷?dǎo)體。相反，有些物體如玻璃、橡皮和塑料等不易導(dǎo)電，我們稱它們?yōu)榻^緣休(或非導(dǎo)體)。還有一些物體，如鍺、硅、砷化稼及大多數(shù)的金屬氧化物和金屬硫化物，它們既不象導(dǎo)體那樣容易導(dǎo)屯，也不象絕緣體那樣不易導(dǎo)電，而是介于導(dǎo)體和絕緣體之間，我們把它們叫做半導(dǎo)體。絕大多數(shù)半導(dǎo)體都是晶體，它們內(nèi)部的原子都按照一定的規(guī)律排列著。因此，人們往往又把半導(dǎo)體材料稱為晶體，這也就是晶體管名稱的由來(lái)(意思是用晶體材料做的管子)。

    物體的導(dǎo)電性能常用電阻率來(lái)表示。所謂電阻率，就是某種物體單位長(zhǎng)度及單位截面積的體積內(nèi)的電阻值。電阻率越小，越容易導(dǎo)電；反之，電阻率越大，越難導(dǎo)電。

    導(dǎo)體、絕緣體的電阻率值隨溫度的影響而變化很小。但溫度變化時(shí)，半導(dǎo)體的電阻率變化卻很激烈；每升高1℃，它的電阻率下降達(dá)百分之幾到百分之幾十。不僅如此，當(dāng)溫度較高時(shí)，整體電阻甚至下降到很小，以致變成和導(dǎo)體一樣。

    在金屬或絕緣體中，如果雜質(zhì)含量不超過(guò)干分之一，它的電阻率變化是微不足道的。但半導(dǎo)體中含有雜質(zhì)時(shí)對(duì)它的影響卻很大。以鍺為例，只要含雜質(zhì)一千萬(wàn)分之一，電阻率就下降到原來(lái)的十六分之一。

    鍺是典型的半導(dǎo)體元素，是制造晶體管的一種常用材料（注：當(dāng)前的半導(dǎo)體元器件生產(chǎn)以硅Silicon材料為主）。現(xiàn)以鍺為例來(lái)說(shuō)明如何會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電流、整流性能和放大性能

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    我們知道，世界上的任何物質(zhì)都是由原了構(gòu)成的。原子中間都有一個(gè)原子核和者圍繞原子核不停地旋轉(zhuǎn)酌電子。不同元素的原子所包含的電子數(shù)目是不同的。蔗原子的原子核周圍有32個(gè)電子，圍繞著原子核運(yùn)動(dòng)。原子核帶有正電荷．電子帶有負(fù)電荷；正電荷的數(shù)量剛好和全部電子的負(fù)電荷數(shù)量相等，所以在平時(shí)鍺原子是中性的。

    電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)，和地球圍繞太陽(yáng)遠(yuǎn)行相似。在核的引力作用下，電子分成幾層按完全確定的軌道運(yùn)行，而且各層所能容納的電子數(shù)日也有一定規(guī)律。如圖所示：在鍺原子核周圍的32個(gè)電子組成四層環(huán)，圍繞原子核運(yùn)動(dòng)。從里往外數(shù)，第一層環(huán)上有2個(gè)電子，其余依次為8、18、4個(gè)電子。凡是環(huán)上的電子數(shù)為2、8、18時(shí)．這些環(huán)上的電子總是比較穩(wěn)定的。若環(huán)上的電子數(shù)不等于以上各數(shù)時(shí)，這些環(huán)上的電子總是不太穩(wěn)定。

    因此，鍺原子結(jié)構(gòu)中，第一、二、三層的電于是穩(wěn)定的，只有第四層(即最外一“層)的4個(gè)電于是不穩(wěn)定的。因最外一層的電子沒(méi)有填滿到規(guī)定的數(shù)目。我們把最外一層的電子叫做價(jià)電子。一般來(lái)說(shuō)，最外層有幾個(gè)價(jià)電子，其原子價(jià)就為幾。鍺的最外層有4個(gè)價(jià)電子，所以鍺的原子價(jià)為4。

    受外界作用，環(huán)上的電子可以克服原子核的吸引力而脫離原子，自由活動(dòng)成為自由電子。這些自由電子在電場(chǎng)力的作用下，產(chǎn)生空間運(yùn)動(dòng)，就形成了電流?？梢韵胂瘢捎谧钔鈱拥膬r(jià)電子離核比較遠(yuǎn)，所受引力最小，所以最容易受外界影響而形成自由電子。因此，從導(dǎo)電性能看，價(jià)電子是很重要的。我們所說(shuō)的鍺元素就是依靠它最外層的4個(gè)價(jià)電子進(jìn)行導(dǎo)電的。  

     鍺晶體內(nèi)的原子很整齊的排列著。各個(gè)原子間有相互排斥的力量，而每個(gè)原子除了吸引自己的價(jià)電子外，還吸引相鄰原子的價(jià)電子。因此，兩個(gè)相鄰原子的價(jià)電子便成對(duì)地存在。這一對(duì)電子同時(shí)受這兩個(gè)原子核的吸引，為它們所“共有”。這兩個(gè)相鄰原子也通過(guò)這個(gè)電子對(duì)被聯(lián)系在一起。這樣，電子對(duì)就好像起了鍵(聯(lián)結(jié))的作用，我們叫它共價(jià)鍵。每一個(gè)鍺原子以其4個(gè)價(jià)電子與其他4個(gè)鍺原子的價(jià)電子組成4個(gè)共價(jià)鍵而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

    在理想情況下，鍺晶體中所有的價(jià)電子都織成了電子對(duì)，因此沒(méi)有自由電子，這時(shí)鍺晶體是不易導(dǎo)電的。
 
    但在外力作用下，如受溫度變化，其中可能會(huì)有一個(gè)價(jià)電子脫離鍵的束縛，掙脫共價(jià)鍵而跳出來(lái)，成為自由電子。這時(shí)共價(jià)鍵中出現(xiàn)了一個(gè)空位，我們把這個(gè)空位叫做空穴。由于原子本身正電荷和負(fù)電荷相等，故原子失去了電子后，整個(gè)原子就帶正電荷，稱為正離子。正離子容易吸引相鄰原子的價(jià)電子來(lái)填補(bǔ)，電子離開(kāi)后所留下的空位，使相鄰原子中又出現(xiàn)空穴，而這個(gè)新出現(xiàn)的空穴，又可能為別的電子去填充。電子這樣不斷地填充空穴，就使空穴的位置不斷地在原子問(wèn)轉(zhuǎn)移?？昭ǖ霓D(zhuǎn)移，實(shí)際上也是電子(電荷)的運(yùn)動(dòng)，所以也就形成電流，這叫做空穴流。而原來(lái)失去的屯子，在晶體中運(yùn)動(dòng)，形成了電子流。為了便于敘述，今后就認(rèn)為空穴在運(yùn)動(dòng)，而且把它當(dāng)作一個(gè)正電荷來(lái)看(實(shí)際上是空穴所在的原子呈現(xiàn)一個(gè)單位正電荷的電量)。由于空穴和電子都帶有電荷，它們的運(yùn)動(dòng)都形成電流，所以就統(tǒng)稱它們?yōu)檩d流子。

    一塊不含有雜質(zhì)的、品格完整的半導(dǎo)體叫做本征半導(dǎo)體。因?yàn)樗犯裢暾?，如果有一個(gè)電子從共價(jià)鍵中釋放出來(lái)，必定留下一個(gè)空眾。所以本征半導(dǎo)體中電子和空眾總是成對(duì)地出現(xiàn)，它們的數(shù)日相等，稱為電子一空穴對(duì)。在常溫下，由于熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，在本征半導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的電子一空穴對(duì)，形成電子流和空穴流，總的電流是兩者之和。如沒(méi)有外界電場(chǎng)作用，電子和空穴的這種運(yùn)動(dòng)是雜亂無(wú)章的，電子流和空穴流方向也是不定的，結(jié)果互相抵消，沒(méi)有凈電流出現(xiàn)。但在電場(chǎng)作用下，這種半導(dǎo)體兩端就出現(xiàn)電壓，電子向正端方向運(yùn)動(dòng)，空穴向負(fù)端方向運(yùn)動(dòng)，形成了定向電流，半導(dǎo)體內(nèi)就產(chǎn)生電流了。本征半導(dǎo)體因電場(chǎng)作用而產(chǎn)生的導(dǎo)電現(xiàn)象就叫本征導(dǎo)電。

    通常，我們很少見(jiàn)到本征半導(dǎo)體，大多遇到的都是P型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。 
 
    前面說(shuō)過(guò)，半導(dǎo)體中加進(jìn)了雜質(zhì)，電阻率就大大降低。這是因?yàn)榧舆M(jìn)雜質(zhì)后，空穴和電子的數(shù)目會(huì)大大增加。例如，在鍺晶休中摻入很少一點(diǎn)三價(jià)元素銦，由于銦的價(jià)電子只有三個(gè)，滲入鍺晶體后，它的三個(gè)價(jià)電子分別和相鄰的三個(gè)鍺原子的價(jià)電子組成共價(jià)鍵，而對(duì)相鄰的第四個(gè)鍺原子，它沒(méi)有電于拿出來(lái)和這個(gè)鍺原子“共有”了，這就留下了一個(gè)空穴(見(jiàn)圖1一3(c))。因?yàn)閾饺肓松倭康碾s質(zhì)銦，就會(huì)出現(xiàn)很多空穴；這是因?yàn)榧词故巧倭康?，里面含有的原子?shù)目卻不少。雜質(zhì)半導(dǎo)體中空穴和電子數(shù)目不相等，在電場(chǎng)作用下，空穴導(dǎo)電是主要的，所以叫空穴型半導(dǎo)體或者說(shuō)是P型半導(dǎo)體。換句話說(shuō)，P型或空穴型半導(dǎo)體內(nèi)是有剩余空穴的，摻入的雜質(zhì)提供了剩余空穴。在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)，所以稱空穴為多數(shù)載流子；電子數(shù)目少，就叫少數(shù)裁流子。滲入的雜質(zhì)能產(chǎn)生空穴接受電子，我們叫這種雜質(zhì)為受主雜質(zhì)。

    如果把五價(jià)元素砷摻入鍺晶體中，砷原子中有5個(gè)價(jià)電于，它和四個(gè)鍺原子的價(jià)電子組成共價(jià)鍵后，留下一個(gè)剩余電子，這個(gè)剩余電子就在晶體中到處游蕩，在外電場(chǎng)作用下形成定向電子流。摻入少量的砷雜質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生大量的剩余電子，所以稱這種半導(dǎo)體為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。在這種半導(dǎo)體中有剩余電子，這時(shí)電子是多數(shù)載流子，而空穴是少數(shù)載流子。因?yàn)樯槭鞘┙o剩余電子的雜質(zhì)，所以叫做施主雜質(zhì)。

    如果沒(méi)有外電場(chǎng)的作用，不論N型或P型半導(dǎo)體，它們的載流子運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的，因此，不會(huì)形成電流

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    把一塊P型半導(dǎo)休和N型半導(dǎo)體緊密聯(lián)接在一起時(shí)(實(shí)際上只能用化學(xué)方法將兩個(gè)原來(lái)獨(dú)立的鍺片合在一起)．就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象，即在它們的兩端加上適當(dāng)?shù)碾妷簳r(shí)，會(huì)產(chǎn)生單向?qū)щ娪^象。因?yàn)檫@時(shí)在它們的交界面上形成了一個(gè)所謂P—N結(jié)的結(jié)構(gòu)，單向?qū)щ姮F(xiàn)象就發(fā)生在這一薄薄的P—N結(jié)中。P—N結(jié)是晶體管的基礎(chǔ)，它是由擴(kuò)散形成的。

    我們知道，P型半導(dǎo)體內(nèi)空穴是多數(shù)載流子，即空穴的濃度大；而N型半導(dǎo)體內(nèi)電子是多數(shù)載流予，電子的濃度大。二者接觸之后，由于在P型區(qū)和N型區(qū)內(nèi)電子濃度不同，N型區(qū)的電子多，就向P型區(qū)擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果如圖1—4(b)所示。N型區(qū)薄層I中部分電子擴(kuò)散到P型區(qū)去，薄層I便因失去電于而帶正電。另一方面，P型區(qū)的空穴多，也會(huì)向空穴濃度小的N型區(qū)擴(kuò)散，結(jié)果一部分空穴從薄層I向P(型區(qū)擴(kuò)散，使薄層Ⅱ帶負(fù)電。

    電于和空穴的擴(kuò)散是同時(shí)進(jìn)行的，總的結(jié)果，P型區(qū)薄層Ⅱ流走了空災(zāi)，流進(jìn)了電子，所以帶負(fù)電，而N型區(qū)的薄層I流走了電子，流進(jìn)了空穴，因而帶正電，而且隨著擴(kuò)散現(xiàn)象的繼續(xù)進(jìn)行，薄層逐漸變厚，所帶的電量也逐漸增加。不過(guò)，這種擴(kuò)散現(xiàn)象不會(huì)無(wú)休止的進(jìn)行下去；當(dāng)擴(kuò)散進(jìn)行到一定程度后，薄層Ⅱ帶了很多負(fù)電，從N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散的電子總數(shù)因電子受到它的排斥不再繼續(xù)增加；同樣道理，從P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散的空災(zāi)總數(shù)也不再增加。于是擴(kuò)散似乎不再繼續(xù)，而達(dá)到所謂“動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)”。這時(shí)P—N結(jié)也就形成了。

    所謂P—N結(jié)，就是指薄層I和Ⅱ所構(gòu)成的帶電結(jié)構(gòu)。因?yàn)樗茏柚闺娮雍涂昭ǖ睦^續(xù)擴(kuò)散，所以也叫阻擋層。它們之間的電位差一般稱勢(shì)壘或位壘。

    我們用圖來(lái)闡明P—N結(jié)的單向?qū)щ娦阅?。依照?qǐng)D示方法，將P型區(qū)接電池正極，N型區(qū)接負(fù)極。向右調(diào)動(dòng)電位器，使加到P—N結(jié)構(gòu)端的電壓逐頹增高，就會(huì)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電壓表讀數(shù)增高時(shí)，電流表的讀數(shù)也隨之增大。此時(shí)，P—N結(jié)的電阻很小，這種接法叫正向聯(lián)結(jié)。

    若反過(guò)來(lái)，把P型區(qū)接電池負(fù)極，而N型區(qū)接正極，這時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)：把電壓增高到幾十伏，電流的指示只有幾個(gè)或幾十個(gè)微安，此時(shí)P—N結(jié)的電阻很大，反向電流很快就達(dá)到飽和不再增加了。這說(shuō)明電流只能沿著一個(gè)方向流過(guò)P—N結(jié)，這個(gè)現(xiàn)象就叫做單向?qū)щ姟?/P>

    單向?qū)щ姮F(xiàn)象可以這樣來(lái)解釋；因?yàn)樵赑型區(qū)接電池正極而N型區(qū)接負(fù)極時(shí)，外加電壓的方向剛好和P—N結(jié)勢(shì)壘電壓的方向相反，使薄層Ⅱ帶的負(fù)電量和薄層I帶的正電量減少，因此削弱了P—N結(jié)的勢(shì)壘，于是在正電壓的作用下，電子和空穴的擴(kuò)散又可進(jìn)行，N型區(qū)的電子不斷跑到P型區(qū)，P型區(qū)的空穴也不斷跑到N型區(qū)，正向電流也就產(chǎn)生了。而且，正向電壓加得越高，P—N結(jié)勢(shì)壘削弱得越厲害，擴(kuò)散也就越容易進(jìn)行，正向電流也就越大。

    當(dāng)P—N結(jié)和電池反向連接時(shí)，外加電壓起著增強(qiáng)P—N結(jié)勢(shì)壘的作用，使薄層Ⅱ帶的負(fù)電荷和薄層I帶的正電荷增加，擴(kuò)散更無(wú)法進(jìn)行。這時(shí)只有P型區(qū)的少數(shù)教流子一電子和N型區(qū)的少數(shù)我流子一空穴，受外加電壓作用形成微弱的反向電流。而少數(shù)栽流子的數(shù)目不多，所以在反向電壓只有零點(diǎn)幾伏時(shí)，反向電流就達(dá)到飽和了。

    P—N結(jié)還有一個(gè)十分重耍的特性，即所謂反向擊穿電壓。當(dāng)所加反向電壓大到一定數(shù)值時(shí)，P—N結(jié)電阻會(huì)突然變得很小，反向電流會(huì)驟然增大，而且是無(wú)限地增大。這種現(xiàn)象叫P—N結(jié)的反向擊穿。開(kāi)始擊穿時(shí)的電壓數(shù)值叫反向擊穿電壓。它直接限制了P—N結(jié)用做整流和檢波時(shí)的工作電壓。

    總之，一個(gè)簡(jiǎn)單的P—N結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦?，半?dǎo)體收音機(jī)正是利用這一特性來(lái)進(jìn)行整流和檢波的。半導(dǎo)體二極管就是根據(jù)這一原理制成的。