半导体的特性
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一、 本征半导体的导电特性
1.导体、绝缘体和半导体
自然界中的物质从其电结构和导电性能上区分，可分为导体、绝缘体和半导体。
如金、银、铜、铝、铁等金属材料很容易导电，我们称它们为导休。导体的电阻率小于
10-6cm。
如陶瓷、云母、塑料、橡胶等物质很难导电，我们称它们为绝缘体。绝缘体的电阻率大
于108cm。
有一类物质，如硅、锗、硒、硼及其一部分化合物等，它们的导电能力介于导体和绝缘
体之间，故称之为半导体。半导体的电阻率在10-6～108之间。
众所周知，导体具有良好的导电性，绝缘体具有良好的绝缘性，它们都是很好的电工材
料。我们用导体制成电线，用绝缘体来防止电的浪费和保障安全。而半导体却在很长时间被
人们所不齿，因为它的导电性能不好，绝缘性能又差。然而它的不公正待遇随着人们对它所
产生的愈来愈浓厚的兴趣消失了，它终于登上了大雅之堂！这是为什么呢？这是因为它具有
一些可以被人们所利用的奇妙特性。
半导体在不同情况下，导电能力会有很大差别，有时犹如导体。
在什么情况下呢？
①掺杂：在纯净的半导体中适当地掺入极微量（百万分之一）的杂质，就可以引起其导
电能力成百万倍的增加。
②温度：当温度稍有变化，半导体的导电能力就会有显著变化。如温度稍有增高，半导
体的电阻率就会显著减小。同理光照也会影响半导体的导电能力。
2.本征半导体的原子结构
本征半导体——非常纯净且原子排列整齐的半导体。
（纯度约为99.999999999%。即杂质含量为10的9次方分之一。）
硅原子一14个带负电的电子围绕带正电的原子核运动，并按一定的规律分布在三层电
子轨道上。
锗原子一32个带负电的电子围绕带正电的原子核运动，并按一定的规律分布在四层电
子轨道上。
由于原子核带正电与电子电量相等，正常情况下原子呈中性。
由于内层电子受核的束缚较大，很少有离开运动轨道的可能。所以它们和原子核一起组
成惯性核。
外层电子受原子核的束缚较小。叫做价电子。
硅、锗都有四个价电子，故都是四价元素，其简化图见电子课件。
物质分两大类：流体和固体。
流体又分两大类：晶体和非晶体。
其中晶体又分两大类：单晶体和多晶体。
单晶体的外形为规则的几何形状：内部原子按规律排列。
当硅、锗等半导体材料被制成单晶时，其原子排列非常整齐。这种状态下：原子距离相
等（2.35*10-8cm），原子靠的非常紧密，价电子在受自身原子核的束缚的同时，还受受相邻
四个原子的影响，形成共价键结构。我们用两条实线象征结合力，好象两根链条将两个原子
核扣住，共有化电子被束缚在其中，若没有额外的能量，它们是跳不出去的。
在绝对零度OK=-237℃时，本征半导体中没有可移动带电粒子，相当于绝缘体。
3.本征半导体的导电性能
在室温下，300K=27℃时，束缚电子受热激发获得能量，（实验证明：对硅原子而言，共
价键中的电子如能获得1.1电子伏特——1.6*10-12尔格的能量就能成为自由电子。）少数价
电子挣脱束缚，成为自由电子。在原价电子的位置上便留下了一个空位，我们将这个空位称
为“空穴”。空穴一旦出现，自由电子就会填补，从而形成自由电子和空穴的双向流动，电子一空穴成对出现，又成为消失（称之为“复合”）的局面。
按照定义，存在于物质结构中可以自由移动的带电粒子统称为载流子。
若半导体中的自由电子是带负电的载流子，则空穴就是带正电的载流子。也就是说，半
导体中存在有极性相反的两种载流子。在这点上，导体和半导体有本质的区别：导体一般为
单极型，即只有自由电子构成的负载流子。而半导体则是双极型的：具有极性相反的两种载
流子——电子和空穴。
本征半导体中这种由于热运动使价电子挣脱共价键的束缚，从而产生载流子的现象称为
“本征激发”。
我们看到，在本征激发下，半导体中的电子和空穴是一一对应，成对产生，又成对复合
的，所以，在本征半导体中，自由电子的数量和空穴的数量相等。
在一定温度条件下，电子空穴对的产生和消失是一动态的平衡，相对于一个动态平衡，
半导体对外呈现出一定的电阻率。温度条件改变后，电子空穴对的产生和消失又会出现新的
动态平衡，半导体也将呈现新的电阻率。
这就是半导体随温度改变导电能力的根本原因。
举一反三：
①本征半导体的导电特性随温度而改变；
②本征半导体的导电特性随光照而改变；
③本征半导体的导电特性随压力而改变；
④本征产导体的导电特性随“掺杂”而显著改变。
在室温下，本征半导体不再是绝缘体了。当我们在一块本征半导体两端加上电压后，电
路中就会出现电流。在外加电压作用下，电子将跑向正极，而空穴将跑向负极，于是形成电
流。显然，电路中的电流以是由两部分组成的，一部分是自由电子定向移动形成的电子电流，
另一部分是空穴定向移动形成的空穴电流，所以电路中的电流是二者的和。即谓“双极型”。
靠本征激发所产生的电子空穴对数目很少，故室温下本征半导体的导电性能很差。要提
高导电性能靠杂质半导体。
二、N型半导体和P型半导体（杂质半导体）
在本征半导体中人为掺入杂质的半导体统称为杂质半导体。
杂质半导体中有两种：N型半导体和P型半导体。
1.N型半导体
在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的五价元素，如磷，就可构成N型半导体。在这种
半导体中，共价键之外多出一个价电子，很容易挣脱磷原子核的束缚成为自由电子，游离在
晶格之间，使本征半导体中除了本征激发产生的电子空穴对之外，又多出一部分自由电子，
使自由电子数量超过了空穴数量，我们说，自由电子在N型半导体中成为多数载流子（简称
多子），空穴在N型半导体中成为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是电子，
故N型半导体又称电子型半导体。
2.P型半导体
在本征半导体硅（或锗）中掺入二价元素，如硼，就可构成P型半导体。在这种半导体
中，共价键结构中多出一个空穴，很容易接受自由电子的填充，使空穴游离在晶格之间，使
本征半导体中除了本征激发产生的电子空穴对之外，又多出一部分空穴，使空穴数量超过了
自由电子数量，我们说，空穴在P型半导体中成为多数载流子（简称多子），自由电子在P
型半导体中成为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是空穴，故P型半导体又
称空穴型半导体。
那么，是否电子型半导体带负电，空穴型半导体带正电呢？
杂质半导体是电中性的。半导体内保持正负电荷的平衡状态。
三、PN结的形成及其单向导电性 1.PN结的形成
一滴墨水能把一杯清水染蓝。这是墨水向清水扩散的结果，自然界的扩散现象非常普遍，
一般总是从浓度大的地方向相邻浓度小的地方扩散。
在同一块半导体中，一边掺杂成N型，另一边掺杂成P型，在N型、P型半导体的交
界面上将会导致一系列自发现象：
首先，多子扩散。N型半导体中的电子浓度大，P型半导体中的电子浓度小，故电子将
从N型半导体向P型半导体扩散；P型半导体中空穴浓度大，N型半导体中空穴浓度小，故
空穴将P型半导体向N型半导体扩散。二者扩散的结果，在交界面附近，N区出现带正电的
离子，P区出现带负电的离子，由于这些离子不能移运，就形成一层空间电荷区，并形成内
电场，方向从N区指向P区，成了一堵阻挡层。内电场的出现将阻挡多子的继续扩散。
然后，少子漂移。内电场一旦建立，方向由N区指向P区，却正好帮助了少数载流子，
少数载流子将在内电场的作用下产生运动。我们把载流子在内电场作用下的运动称为漂移。
显然，少子的漂移中和了部分空间电荷区的离子，使空间电荷区变窄，内电场削弱，这时，
多子又开始扩散，当扩散与漂移达到一个动态平衡时，空间电荷区也就达到了一个平衡状态，
这就形成了PN结。
2. PN结的单向导电性
1) PN结正偏：
→外加正向电压（P区接正极、N区接负极）
外加电场与PN结内电场方向相反，VF称为正向电压。
P区中的多数载流子空穴向PN结移动，和原来的一部分负离子中和，使P区的空间
电荷量减少。
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。
→空间电荷区变窄，内电场减弱
→扩散大于漂移
→多子扩散形成大的正向电流IF。
当外加电压VF稍有变化（如0.1V），便能引起电流的显著变化。
由少数载流了形成的漂移电流，方向与扩散电流相反，其数值很小，可忽略不计。
图1 PN结正偏 图2 PN结反偏
2) PN结反偏
→外加反向电压（P区接负、N区接正）
电场方向与PN结内电场方向相同，P区中的空穴和N区中的电子都将进一步离开PN
结。
→空间电荷区变宽，内电场增强
多数载流子就很难越过势垒，扩散电流趋近于零。
→漂移大于扩散
→少子漂移形成很小的反向电流IR（一般为微安数量级）：IR几乎与外加电压VR无关。
在一定温度T下，热激发产生的少数载流子数一定，电流值趋于恒定。这时的反向电
流IR就是反向饱和电流，用Is表示。Is受温度的影响较大。
PN结的正向电阻很小，反向电阻很大，具有单向导电性。
3) PN结的伏安特性
图3 半导体二极管的伏安特性
)1(TDnVv
sDeIi
VT为温度的电压当量=kT/q，其中k为波耳兹曼常数（1.38×10–23J/K），T为热力学温度
即绝对温度，q为电子电荷（1.6×10–19C），n=1～2，为发射系数，与PN结尺寸、材料和通
过的电流有关。在T=300K时，VT≈26mV。
正向当Dv＞0，且Dv＞VT时，TDnVv
sDeIi；反向当vD＜0，且TDVv||时，iD≈–IS≈0。
3.反向击穿
反向击穿（电击穿）：
当反向电压的绝对值达到VBR（反向击穿电压）后，反向电流会突然增大。
在反向电流很大的变化范围内，二极管两端电压几乎不变。
电击穿过程是可逆的。
热击穿：
PN结电击穿后电流很大，电压又很高，容易使PN结发热，超过它的耗散功率会热击
穿。PN结的电流和温升之间出现恶性循环，从而很会把PN结烧毁。
电击穿包括雪崩击穿和齐纳击穿。
1) 雪崩击穿：
→PN结反向电压增加，空间电荷区中的电场随着增强。
→通过空间电荷区的电子和空穴，在电场作用下获得的能量增大，与晶体原子又发生碰
撞，使共价键中的电子激发形成自由电子–空穴对（碰撞电离）。
→新产生的电子和空穴又可通过碰撞，再产生电子–空穴对（载流子的倍增效应）。
→载流子增加得多而快，反向电流急剧增大，PN结就发生雪崩击穿。
2) 齐纳击穿：
→PN结空间电荷区中强电场，直接破坏共价键将束缚电子拉出造成电子–空穴对。
杂质浓度特别大的PN结中，空间电荷区内电荷密度大，空间电荷区很窄，电场强度可
能很高。如稳压管（齐纳二极管）。
