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什么是半导体？半导体的性质
半导体是介于像铜那样易于电流通过的导体和像橡胶那样的不导通电流的绝缘体之间的物质。
利用这样的半导体材料制造出的产品，有晶体二极管、晶体三极管、IC等半导体器件，它们被广泛应用于从收音机、电视机等家电产品到小汽车、电子计算机等诸方面。为了很好地理解这些半导体器件的性质,在本章中对活跃在半导体中的电子的功能、半导体的种类及其构成成分进行分析。并且学习有关有p型半导体和n型半导体相互接合形成的pn结制成的二极管的作用，为理解下一章晶体三极管的性质和工作原理打下基础。
1.1 在半导体中的电子
1.1.1 电子存在于原子之中
我们身边存在的所有物质，都是由大约100种的原子构成的。原子这一说法，在希腊语中是已经不能做更细划分的意思。但是自从发现电子后，可以判明原子是由中心带有正（+）电荷的原子核和绕其周围旋转的带有（-）电荷的电子构成的（参照图1.1）。
图1.2（a）为氢原子，（b）为硅原子的平面图，氢原子中的1个电子，硅原子中的14个电子，在它们各自规定的轨道上旋转着。各个原子由于原子核的正电量和所有电子的负电量相等，因而通常不带电而处于中性状态（参照图1.3）。
原子核和电子的大小与原子相比只有数万分之一（参照图1.4）。因此，当认为原子是内部为空心的球时，电子可以在原子中自由地运动。
1.1.2 活跃在半导体中的自由电子
如图1.2所示，电子在原子核的周围形成数层轨道并沿轨道旋转着，进入这些轨道的电子数，由各个轨道决定。在这里，最外层轨道中的电子被称为价电子。对硅原子而言，有4个电子。
靠近原子核的轨道中的电子，受到原子核的强力吸引。最外层轨道中的价电子，却因为和原子核之间的引力较弱，可以容易地脱离轨道。像这样从原子核的束缚中挣脱出去的价电子称为自由电子（参照图1.5）。
1.1.3 自由电子的逸出空位是带有正电荷的空穴
到目前为止，我们关注的仅仅是原子，下面让我们对原子聚集在一起形成晶体时的情况进行分析。
图1.6所示的是硅（Si）原子整齐排列的晶体的平面示意图。通常情况下，各个原子如图所示那样，相邻的原子分别拿出1个价电子，以相互共有价电子的形式结合在一起。
现在，若是对这个晶体加上电压、热，或是用光进行照射等，则由于这些能量的吸入，使得晶体中的价电子可以脱离原子核的束缚成为自由电子，在晶体中自由地运动。
由于带有负电荷的电子的逸出原因，使价电子变成自由电子后留下的空位，从电中性的状态变得带有正电荷。这个带有正电荷的空位称为空穴（holl）（参照图1.7）。
空穴一旦产生，由于其带有正电荷，所有会吸引附近的带有负电荷的价电子，而被吸引走的价电子留下的空位又形成其它新的空穴（参照图1.8）。
这样的过程随时间依次连续地进行，可以认为好像空穴运载着正的电荷。因此，由于自由电子运载负电荷，空穴运载正电荷的缘故，它们被称为载流子。
还有，电子的流动称为电子流，规定电流的方向和电子流的方向相反。
1.2 电子技术的核心是半导体
1.2.1 半导体材料的典型代表为硅与锗
电线的芯所使用的铜和铝等金属，因为能很好地导电而被称为导体。与此相反，电线的包皮所使用的橡胶和乙烯基，则因为其电的绝缘性质而被成为绝缘体。
研究物质在常温下的电阻率，得到如图1.12的结果。半导体如文字所述是“一半”、“导体”，即处于导体和绝缘体的中间，也就是指电阻率从10-5~106Ω·m左右的范围内变化的物质。硅和锗是最常见的用于制造晶体二极管、晶体三极管和IC等半导体器件的半导体材料。
另外，从半导体晶体的结构进行观察，可以有如下分类
1.2.2 本征半导体的纯度很高
若从外部对半导体施加电压、热、光等能量，则其电阻将发生变化。同样，即使在半导体中混入极其微量的不纯物质，其电阻率也将发生很大的变化。
因此，硅和锗的结晶纯度必须高于99.9999999999%（有12个9）。图1.13所示是为了获得高纯度而采用的被称为区熔法的提纯方法。
这样提纯后的半导体称为本征半导体，在常温下若接受热能，则产生极少的数量相同的自由电子和空穴（参照图1.9）。
1.2.3 杂质半导体分为n型和p型号半导体
在硅和锗的本征半导体结晶中，掺入一千万分之一到一百万分之一程度的某种确定的杂质后所得的半导体称为杂质半导体。杂质半导体，根据表1.1所示的杂质原子的电子的个数，或变成称为n型的半导体，或变成称为p型的半导体。另外，根据杂质浓度，可以使电阻率变得比本征半导体低（参照图1.14）。
- n型半导体是如何形成的
例如，在硅的本征半导体中，将极少量的锑作为杂质掺入，就形成n型半导体。即相对于硅的4个价电子，锑因为有5个价电子，所以有1个多余的价电子不能构成共价键。这个价电则就变成了自由电子，全部载流子中与空穴相比带负电的自由电子的数量变多，这样的半导体取negative的第一字母n，称为n型半导体（参照图1.10）。
- p型半导体是如何形成的
例如，在锗的本征半导体中，与n型半导体相对照，用3价的铟作为杂质掺入，就形成p型半导体。即相对于硅的4个价电子，铟因为有3个价电子，所以构成共价键还缺少一个价电子。这一缺少价电子之处就形成空穴，全部载流子中与自由电子相比带正电的空穴数量变多，这样的半导体取positive的第一字母p，称为p型半导体（参照图1.11）。
1.3 p型半导体和n型半导体有机结合形成二极管
1.3.1 二极管的形状与电路符号
图1.15所示的是用于电视机、收音机、电源装置等中的各种各样形状的二极管。
二极管即意味着带有两个电极。一个称为阳极（阳极·A），另一个称为阴极（阴极·K），图1.16是二极管是电路符号。二极管具有单向导电性，箭头的方向表示电流易通过的方向。
另外，根据二极管的不同种类，如图1.17所示，可在二极管管体上标记号表示
1.3.2 二极管的结构与工作原理
通常被称为二极管的典型代表是pn结型二极管。这是在硅或锗的本征半导体结晶中掺杂，构造形成如图1.19所示的p型半导体区域和n型半导体区域，使它们互相有机地连接在一起。并且，将阳极和阴极这两个电极分别固定于p型区域和n型区域的两端。
这里，p型区域与n型区域的交接面被称为交界面。
(a)
仅有pn结时的情况
pn结一旦形成，就如图1.20所示，在交界面附近p型区域的空穴向n型区域移动，而n型区域的电子向p型区域移动，这种状况与往水中滴入浓度高的墨水时，墨水慢慢地向四周水中扩散，最终完全与水混合的现象相似，称为扩散现象。
在交界面附近扩散的空穴与电子相遇复合消失，结果导致在交界面的附近形成没有载流子的区域，称这一区域为耗尽层。
一旦发生这样的扩散，则在p型区域，当空穴中和消失之后便产生负的电荷（负离子）；而在n型区域，当失去电子之后便产生正的电荷（正离子）。
由于这些电荷产生了称为势垒的电位差，妨碍载流子的进一步扩散，因而阻止pn结整体的中和（参照图1.21）。
(b)
当pn结加上反向电压时的情况
如图1.22(a)所示，若p型区域接电源负极，n型区域接电源正极，则p型区域的空穴被负极吸引，n型区域的电子被正极吸引。结果耗尽层增宽，势垒也变高。因此，由于载流子不能移动而无电流通过。这样的施加电压方式称为反向电压。图（b）是这种情况下的电路图表示
（c）当pn结加上正向电压时的情况
如图1.23(a)所示，若p型区域接电源正极，n型区域接电源负极，则耗尽层变薄，并且势垒也变低。结果，穿越交界面，p型区域的空穴向n型区域移动，n型区域的电子向p型区域移动。因此，发生了载流子的移动而使电流流通。这样的施加电压方式称为正向电压，流过的电流称为正向电流。图（b）为其电路图。
（d）pn结型二极管的特性
从到目前为止叙述的事实中我们发现：根据对二极管所施加电压极性的不同，二极管中可以有电流通过或无电流通过。即二极管具有单向导电的整流作用。图1.18表示了这种特性。
这里，当反向电压不断增大时，就会发生在某点电流突然开始流通，并显著增加的现象，这种现象称为击穿现象，电流突然开始激增时的电压值称为击穿电压或齐纳电压。
- 4特殊二极管和二极管的使用方法
1.4.1
特殊二极管除了有利用单向导电性进行整流和检波的二极管之外，还有具有如下特殊用途的二极管（参照图
1.24）。(a)
稳压二极管
稳压二极管也称为齐纳二极管，它利用当反向电压逐步增大到一定数值时反向电流工作的元件（参照图1.27）。
在发生齐纳现象的范围内，即使流过二极管的电流变化很大，二极管两端的电压也保持一定值。图1.28就是一例，在RD-5A的情况下，尽管电流在5～45mA之间变化，但是二极管两端的电压基本上保持5V。稳压二极管通常使用在要求输出电压变化极小的稳压电源装置中。
(b)
变容二极管
变容二极管也叫可变电容二极管，是利用pn交界面附近生成的耗尽层而制成的器件。如图1.29所示，由于两边的正负电荷使耗尽层处于一种带有静电电容的状态。因此，若反向电压变大，则耗尽层的幅度变宽，静电电容变小（参照图1.30）。
变容二极管被应用于无线话筒和电视机的高频头电路等方面。
(c)
发光二极管（LED）
发光二极管的材料主要局限于镓的化合物，由砷化镓GaAs和磷化镓GaP等作为原料形成pn结制成发光二极管。一旦有正向电流流过这个pn结，它就发出红、绿、黄等颜色的光。如图1.31所示，空穴和电子相互进入对方的区域，用冲撞时产生的能量发光。当然，相撞的空穴与电子中和消失了，但p型区域中的空穴和n型区域中的电子分别以只与中和消失的空穴电子相同的数目不断地被产生出来，因而使发光可持续进行。发光二极管仅用极小的功率，便可获得鲜艳的光辉，另外，因为能够快速亮灭，所以除了用作显示灯外，对于使用光纤作为传输线路的光通信，它还可当发光源使用（参照图1.32）。
1.4.2 二极管的使用方法
(a)
二极管的最大额定值
对二极管不能施加超过额定值的反向电压等，由生产厂家对应不同的品名、形状，将最大额定值表示出来。
表1.3所表示的是1S1855的最大额定值，使用时必须注意不能超过各项目所对应的数值。
(b)
根据万用表判定二极管的好坏
二极管的好坏可以根据万用表简单地测量出来。当万用表作为电阻表使用时，由于内部的电池是按图1.26所示的方式连接的，所以万用表表面的正端被加上负电压，负端被加上正电压。
因此，当测定正向电阻时，二极管的接线如实线所示，而测定反向电阻时，二极管的接线如虚线所示。
还有，硅二极管和锗二极管的电阻，若采用表1.3的数值，则正向和反向电阻的差越大越好。
本章小结
原子
由带正电的原子核和带负电的电子构成。
价电子
处于最外层轨道上的电子。
自由电子和空穴
脱离原子核的价电子称为自由电子，价电子逸出后留下的空位称为空穴。自由电子带有负电，空穴带有正电。二者都被称为载流子。
本征半导体
是纯度非常高的半导体晶体，其内部产生数量相等的自由电子和空穴。
N型半导体
在本征桂结晶中掺入极少量的锑等5价原子便可生成，整体上载流子以带负电的自由电子的数目为多。
P型半导体
在本征硅结晶中掺入极少量的铟等3价原子便可生成，整体上载流子以带正电的空穴的数目为多。
二极管
是由在一个本征半导体中生成的n型半导体与p型半导体互相有机结合形成的。根据外加电压的极性，具有正向电流流通，反向电流不通的整流作用。电路符号为A（阳极）[二极管符号]K（阴极）。
反向电压
使二极管中电流能流通的电压施加方法。
正向电压
使二极管中电流流通的电压施加方法。
稳压二极管
当反向电压不断增大时，虽然由于齐纳现象电流激增，但端电压仍能保持恒定的二极管。
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