一些半导体的基础知识

我们身边的材料可以按导电性分为导体（Conductor）、绝缘体（Insulator）和半导体（Semiconductor）。金属、石墨、人体等具有良好的导电能力，被称为导体。橡胶、塑料、干木头等是不导电的，或者说导电能力极差，属于绝缘体。而导电能力介于导体与绝缘体之间的硅、锗等材料，就是半导体。来张图直观看看物体的导电性：

按照导电性可分为：

绝缘体：电导率很低，介于10-18~10-8 S/cm，如熔融石英、玻璃；

导体：电导率较高，介于103~108 S/cm，如铋、银等金属；

半导体：电导率则介于绝缘体和导体之间。

一、能带的概念

想要更深层次地了解半导体，就需要先了解一下能带的概念。能带是根据电子能量高低及状态划分的区域，通常包括导带（Conduction band）、禁带（Forbidden band）、价带（Valence band）三部分。电子在能带中的位置越高，其能量就越大。

以下是非常学术的解释：

本征半导体的晶体结构中存在着由于热激发出来的“自由电子”，还有未能够被激发出来的“价电子”（存在于共价键之中）。价电子要想逃离原子核的束缚需要具有一定的能量克服引力做功，一旦逃离出共价键之后，势必当前的电子吸收的外在的能量，具有更高的能量。我们任意剖开某一个晶格，进入到晶体的微观世界中，可以将共价键控制的区域称为价带，将共价键控制不到的区域称为导带，顾名思义在导带里面的电子成为了电流的载流子。价带和导带之间称为禁带，在量子世界里，电子能够吸收能量从价带跃迁到导带，也能释放能量从导带跌入到价带，禁带被认为是电子的真空区域。

以下是很形象的比喻：

导带是高架桥，价带是地面人行道。半导体就像是人满为患时的地面交通，电子们寸步难行挤成狗，但你若是有本事跳上空旷无人的高架桥，那就可以随便蹦跶了。高架桥到地面之间的空档，就被称为禁带。所谓禁带，就是说电子没地方可站。高架桥若是太高，电子们跳不上去，交通便陷入彻底瘫痪。这是绝缘体。高架桥若是接上了地面道路，电子们就能纷纷上桥，交通立刻顺畅起来。这是金属。现代半导体技术，之所以能够实现器件的开关，就是能够在高架杯和地面之间架起一座临时的梯子，它将决定地面上有多少幸运的电子能够登上高架桥，担负起导电的伟大使命。

因此，禁带宽度（Bandgap）是区分导体、绝缘体和半导体的重要标志。导体的禁带宽度为零，电子可以轻易进入导带，成为自由电子，因此导体的导电能力很强。而绝缘体的禁带宽度很大，电子要跃迁到导带需要很大的能量，只有极少的电子能越过禁带，因此绝缘体的导电能力极差。而半导体的禁带宽度较绝缘体小，电子越过禁带需要的能量小，有更多的电子能够越过禁带，因此导电能力比绝缘体略强，但仍然远逊于导体。

Si3N4的禁带宽度为8eV（电子伏特），Al2O3的禁带宽度为10.6eV，它们是绝缘体。而锗、硅、砷化镓、氮化镓以及氧化镓的禁带宽度分别为0.67eV、1.12 eV、1.43eV、3.4eV和4.8eV左右，它们都是半导体。（注：电子伏特是能量单位，代表一个电子经过1V的电位差加速后所获得的动能）

从三种材料的能带图来看，半导体和绝缘体的能带是类似的，而与导体的能带图相差较大。其实并没有一个明确的禁带宽度大小来区分半导体与绝缘体，并且随着半导体材料的不断发展，半导体的禁带宽度越来越大，宽禁带、超宽禁带半导体的禁带宽度，已经越来越接近一些绝缘体。

二、N 型半导体和 P 型半导体

半导体相较于绝缘体有另一个特征，那就是半导体材料中一旦掺入了杂质原子（简称掺杂）后，就会对半导体材料的物理和化学性质产生决定性的影响。如按十万分之一的比例在硅中掺入磷原子，硅的导电性将提升一千倍。

自然界中常见的元素半导体有硅、锗。而锗基半导体比硅基半导体还要更早发现和应用，但是硅的天然优势就是便宜！自然界中常见的沙石就含有大量的硅元素！

先深入了解一下硅元素，在元素周期表中，硅排列在第 14 位，硅原子最外层有4 个电子，分别与周围 4 个原子共用 4 对电子，这种共用电子对的结构称为共价键（Covalent bonding）。注意，硅原子共用电子的情况是，中间一个硅原子和四个硅原子共用电子。

物理学家想到一个问题，如果不与周围硅原子共用电子，把其他原子拉进会怎样？砷原子最外层有 5 个电子，其中 4 个电子找到了硅原子，另外一个电子单着了，这个电子成了无业游民，到处流窜，由于电子带有电荷，于是改变了硅的导电性。此时的砷原子多提供了一个电子给硅，因此砷原子被称为施主（donor）。硅的自由电子多了以后，带负电的载流子增加，硅变成 N 型半导体。为啥叫 N 型？在英文里 Negative 代表负，取这个单词的第一个字母，就是 N。

同样，物理学家想，既然可以把电子多的砷元素拉进群，那么是否也可以把电子少的硼原子拉进群？ 由于硼原子最外层只有 3 个电子，比硅少一个，于是本来两对电子的共价键现在成了只有一对电子，多了一个空位，成了带正电的空穴（Hole）。此时的硅基半导体被称为 P 型半导体，同样 P 来自英文单词 Positive 的首字母，而硼原子则被称为受主（acceptor）。正是在硅单晶中加入的原子不同，便形成了 N 型半导体和 P 型半导体。

由于加入硼或砷以后，它们改变了硅的电化学性能，此时的半导体叫做非本征（extrinsic）半导体，而由 P 型半导体和 N 型半导体接触形成的结称为 p-n 结！

三、p-n结的原理

左图是一个 P 型半导体和一个 N 型半导体，它们独立存在时对外不显电性。

将它们拼接在一起，你看看我，我看看你，P 家的空穴想去 N 家串串门，N 家的电子也想去 P 家看看。它们分别往对方的阵地走，走着走着它们猛然发现，电子可以掉进空穴里，空穴可以完全接纳电子，在它们碰到的地方既没有了空穴，也没有了电子（因为复合了），这个区域称为耗尽区（Depletion region）。既然中间有了耗尽区，电子跑不动了，空穴也跑不动了。

但如果我们给这些电子加把力，把它往前推一下会怎么样呢？那就给这个 p-n 结外加一个电场，有电场就有了电子的流动。我们把 P 型半导体接入正极，N 型半导体接入负极时（如下图）。外加电压使 P 区的电位高于 N 区的电位，称为加正向电压，简称正偏；p-n 结加正向电压时，p-n 结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，p-n 结处于导通状态。

如果把正负极反过来接在 p-n 结上会怎样？将外加电压使 P 区的电位低于 N 区的电位，称为加反向电压，简称反偏；p-n 结加反向电压时，p-n 结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，p-n 结处于截止状态。

总结一下，通过对 p-n 结施加不同方向的电压，得到：p-n 结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，p-n 结导通。p-n 结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，p-n 结截止，由此可以得出结论：p-n 结具有单向导电性。要知道，p-n 结是一切半导体器件的基础，就如同面粉是主食的基础，面粉可以做成包子、馒头、面包、面条…