半导体的共价键结构

导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，我们称之为半导体。

在电子器件中，常用的半导体材料有：元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等；以及掺杂或制成其他化合物半导体材料，如硼（B）、磷（P）、铟（In）和锑（Sb）等。其中硅是最常用的一种半导体材料。

半导体有以下特点：

1．半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。

2．半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。

3．在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强

在电子器件中，用得最多的半导体材料是硅和锗，它们的简化原子模型如下图a所示。硅和锗都是四价元素，在其最外层原子轨道上具有四个电子，称为价电子。由于原子呈中性，故在图中原子核用带圆圈的+4符号表示。半导体与金属和许多绝缘体一样，均具有晶体结构，它们的原子形成有序的排列，邻近原子之间由共价键联结，其晶体结构示意图如图b所示。图b中表示的是晶体的二维结构，实际上半导体晶体结构是三维的。

本征半导体是一种完全纯净、结构完整的半导体晶体。

本征半导体中的两种载流子

本征激发

在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量，挣脱共价键的束缚进入导带，成为自由电子，在晶体中产生电子-空穴对的现象称为本征激发。

空穴

在本征激发中，价电子成为自由电子后共价键上留下空位，这个空位称为空穴。空穴是一个带正电的粒子，其电量与电子相等，电极性相反，在外加电场作用下，可以自由地在晶体中运动，它和自由电子一样可以参加导电。

在硅（或锗）的晶体内掺入三价元素杂质而形成的杂质半导体，称为P型半导体。 

在P型半导体中多数载流子是空穴（由掺杂产生），电子为少数载流子（由本征激发产生）。

在硅（或锗）的晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼（或铟）等，因硼原子只有三个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空位，当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子，形成了空穴，硼原子接受电子，称硼为受主，在硅或锗的晶体中掺入五价元素杂质而形成的杂质半导体，称为N型半导体。 

在N型半导体中多数载流子是电子（由掺杂产生），空穴为少数载流子（由本征激发产生）。 

在硅或锗的晶体中掺入五价元素，它的五个价电子中有四个与周围的硅原子结成共价键后，多出一个价电子。在室温下，原子对于这个多余的价电子束缚力较弱，它很容易被激发而成为自由电子。这样，杂质原子就变成带正电荷的离子。由于杂质原子可以提供电子，故称为施主原子。这种杂质半导体中自由电子的浓度远远大于同一温度下本征半导体中自由电子的浓度，这就大大增强了半

导体的导电能力。

PN结的形成

在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体的交界面附近就形成了PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。

在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内电子很多而空穴很少，而P型区内空穴很多电子很少，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。这样，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。于是，有一些电子要从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子,N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，就是所谓的PN结。空间电荷区有时又称为耗尽区。扩散越强，空间电荷区越宽。

在出现了空间电荷区以后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区就形成了一个内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。显然，这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，它是阻止扩散的。

另一方面，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄。

当漂移运动和扩散运动相等时，PN结便处于动态平衡状态。

PN结的正向导电性

当PN结加上外加正向电压，即电源的正极接P区，负极接N区时，外加电场与PN结内电场方向相反。在这个外加电场作用下，PN结的平衡状态被打破，P区中的多数载流子空穴和N区中的多数载流子电子都要向PN结移动，当P区空穴进入PN结后，就要和原来的一部分负离子中和，使P区的空间电荷量减少。同样，当N区电子进入PN结时，中和了部分正离子，使N区的空间电荷量减少，结果使PN结变窄，即耗尽区由厚变薄，由于这时耗尽区中载流子增加，因而电阻减小。势垒降低使P区和N区中能越过这个势垒的多数载流子大大增加，形成扩散电流。在这种情况下，由少数载流了形成的漂移电流，其方向与扩散电流相反，和正向电流比较，其数值很小，可忽略不计。这时PN结内的电流由起支配地位的扩散电流所决定。在外电路上形成一个流入P区的电流，称为正向电流。当外加电压稍有变化（如O.1V），便能引起电流的显著变化，因此电流是随外加电压急速上升的。 这时，正向的PN结表现为一个很小的电阻。

PN结的反向导电性

当PN结外加反向电压，即电源的正极接N区，负极接P区。外加电场方向与PN结内电场方向相同，PN结处于反向偏置。在反向电压的作用下，P区中的空穴和N区中的电子都将进一步离开PN结，使耗尽区厚度加宽，PN结的内电场加强。这一结果，一方面使P区和N区中的多数载流子就很难越过势垒，扩散电流趋近于零。另一方面，由于内电场的加强，使得N区和P区中的少数载流子更容易产生漂移运动。这样，流过PN结的电流由起支配地位的漂移电流所决定。漂移电流表现在外电路上有一个流入N区的反向电流IR。由于少数载流子是由本征激发产生的，其浓度很小，所以IR是很微弱的，一般为微安数量级。当管子制成后，IR数值决定于温度，而几乎与外加电压无关。IR受温度的影响较大，在某些实际应用中，还必须予以考虑。

PN结在反向偏置时，IR很小，PN结呈现一个很大的电阻，可认为它基本是不导电的。

反向击穿分为电击穿和热击穿，电击穿包括雪崩击穿和齐纳击穿。PN结热击穿后电流很大，电压又很高，消耗在结上的功率很大，容易使PN结发热，把PN结烧毁。热击穿是不可逆的。