“半導體”一詞已經與在20世紀下半葉迅速改變人類生活的尖端電子技術聯系在一起。

一、什么是半導體？

“半導體”一詞已經與在20世紀下半葉迅速改變人類生活的尖端電子技術聯系在一起。但是，就其本身而言，半導體并不那么引人注目：它只是一種具有中等導電性的材料-也就是說，它的導電性比導體小，但比絕緣體大。

熱能使價電子脫離半導體的晶格結構，從而變成“自由”電子。這些移動電子是可以在施加的電場的影響下移動的負電荷，這些自由電子留下的空穴起移動正電荷的作用。電子和空穴都參與半導體電流，并且半導體中的電學性質受材料中存在的自由電子和空穴的數量影響。

左圖表示半導體的規則晶格，右圖包括電子-空穴對。

普通的未經修飾的半導體無法提供有用的電子功能。將半導體轉變為技術革命手段的第一步稱為摻雜。

二、半導體摻雜

我們可以通過將其他材料注入晶格結構來控制半導體中載流子的數量。更具體地說，我們注入具有不同價電子數量的材料。

假設我們的半導體是硅（Si），它是IV組元素，因此具有四個價電子。如上圖所示，硅原子通過共價鍵結合成規則的晶格結構。諸如磷（P）之類的V組元素具有五個價電子，如果我們向硅中注入磷，則每個注入的原子都會向半導體的晶格中引入一個自由電子：

用V族元素摻雜會引入自由電子。

在這種情況下，磷起摻雜劑的作用，而硅成為n型半導體：它通過摻雜獲得了額外的自由電子，并且在施加電場時，電流將主要歸因于具有負電荷的電子。因此，在n型半導體中，電子是多數載流子，而空穴是少數載流子。

另一方面，如果我們用III族元素（例如硼（B））摻雜，則每個摻雜原子都會引入一個額外的空穴。這將硅變成了p型半導體：空穴的數量超過了自由電子的數量，電流的流動將主要歸因于正電荷的運動。因此，在p型半導體中，空穴是多數載流子，電子是少數載流子。

用III族元素摻雜會引入空穴。

注入元素并不是摻雜過程中唯一的變量。我們還可以控制摻雜劑濃度，從而影響半導體的電性能。當半導體包含相對較高濃度的摻雜原子時，我們稱其為重摻雜。如果它包含相對較低濃度的摻雜劑原子，則將其輕摻雜。例如，場效應晶體管將重摻雜硅用作源極和漏極區域。

如果目標是制造有用的電子組件，那么摻雜材料本身并沒有比原始半導體更好。但是，當我們將n型半導體與p型半導體相鄰放置時，一切都會改變，此結構稱為pn結。

三、pn結和半導體二極管

當我們專注于半導體操作的物理學時，我們使用術語pn結；當我們專注于電路設計時，我們使用二極管一詞。但是它們本質上是同一回事：一個基本的半導體二極管是一個帶有導電端子的pn結。首先，讓我們看一下圖，然后，我們將簡要探討這個極為重要的電路元件的行為。

左邊的實心圓是空穴，右邊的實心圓是電子。該耗盡區由已經與從n型半導體（這些重組孔由圓圈負號表示）和電子已經與從p型半導體（由帶圓圈的正號表示）空穴重新結合的自由電子再結合孔。該復合導致耗盡區的p型部分帶負電，并且耗盡區的n型部分帶正電。

在p型和n型材料的接合處電荷的分離會導致電位差，稱為接觸電位。在硅pn結二極管中，接觸電勢約為0.6V。如上圖所示，該電勢的極性與我們預期的相反：在n型側為正，而在負極為負在p型一側。

電流可以通過擴散流過結-由于結兩部分的電荷載流子濃度不同，一些來自p型材料的空穴將擴散到n型材料中，而一些來自n型電子型材料將擴散到p型材料中。然而，由于接觸電勢對該擴散電流起阻擋作用，因此幾乎沒有電流流動。此時，我們將開始使用術語勢壘電壓代替接觸電勢。

四、正向和反向偏置

如果我們將二極管連接到電池，使得電池的電壓與勢壘電壓具有相同的極性，則結點將被反向偏置。由于我們正在增加勢壘電壓，因此擴散電流進一步受到阻礙。

施加反向偏置電壓會使結的耗盡區變寬。

另一方面，如果我們將電池的正極端子連接到二極管的p型側，而負極端子連接到n型側，則我們正在降低勢壘電壓，從而促進電荷載流子在結上的擴散。但是，在我們克服勢壘電壓并完全耗盡耗盡區之前，電流量將保持相當低的水平。這在施加的電壓等于勢壘電壓時發生，并且在這些正向偏置條件下，電流開始自由流過二極管。

五、二極管作為電路組件

前面的討論揭示了產生硅二極管電行為的兩個最突出特征的潛在物理過程。

首先，當以反向偏壓極性施加電壓時，pn結阻止電流流動，而當以正偏壓極性施加電壓時，pn結允許電流流動。這就是為什么二極管可以用作電流的單向閥的原因。

其次，當施加的正向偏置電壓接近勢壘電壓時，流過二極管的電流呈指數增長。這種指數電壓-電流關系使正向偏置二極管的電壓降保持相當穩定，如下圖所示。

二極管的工作量可以近似為一個恒定的電壓降，因為電流的大增加對應于很小的電壓增加。

下圖闡明了二極管的物理結構，其電路符號以及我們用于其兩個端子的名稱之間的關系。施加正向偏置電壓會使電流沿藍色箭頭方向流動。