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,多子为空穴。少子:P型半导体中,少子为电子。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: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。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: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: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,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。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。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。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。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。半导体掺杂半导体之所以能广泛应用在如今的数位世界中,凭借的就是其能借由在其晶格中植入杂质改变其电性,这个过程称之为掺杂(doping)。掺杂进入本质半导体(intrinsic semiconductor)的杂质浓度与极性皆会对半导体的导电特性产生很大的影响。而掺杂过的半导体则称为外质半导体(extrinsic semiconductor)。半导体掺杂物 　　哪种材料适合作为某种半导体材料的掺杂物(dopant)需视两者的原子特性而定。一般而言,掺杂物依照其带给被掺杂材料的电荷正负被区分为施体(donor)与受体(acceptor)。施体原子带来的价电子(valence electrons)大多会与被掺杂的材料原子产生共价键,进而被束缚。而没有和被掺杂材料原子产生共价键的电子则会被施体原子微弱地束缚住,这个电子又称为施体电子。和本质半导体的价电子比起来,施体电子跃迁至传导带所需的能量较低,比较容易在半导体材料的晶格中移动,产生电流。虽然施体电子获得能量会跃迁至传导带,但并不会和本质半导体一样留下一个电洞,施体原子在失去了电子后只会固定在半导体材料的晶格中。因此这种因为掺杂而获得多余电子提供传导的半导体称为n型半导体(n-type semiconductor),n代表带负电荷的电子。和施体相对的,受体原子进入半导体晶格后,因为其价电子数目比半导体原子的价电子数量少,等效上会带来一个的空位,这个多出的空位即可视为电洞。