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第1章 常用半导体元器件 半导体元器件是用半导体材料制成的电子元器件，随着电子技术的飞速 发展，各种新型半导体元器件层出不穷。半导体元器件是组成各种电子电路 的核心元件，学习电子技术必须首先了解半导体元器件的基本结构和工作原 理，掌握它们的特性和参数。本章从讨论半导体的导电特性和PN 结的单向 导电性开始，分别介绍二极管、双极型晶体管、绝缘栅场效应晶体管和半导 体光电器件等常用的半导体元器件。 1.1 半导体的导电特性 1.1.1 导体、绝缘体和半导体 自然界的物质，按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三类。 物质的导电能力可以用电导率σ或电阻率ρ来衡量，二者互为倒数。物质的 导电能力越强，其电导率越大，电阻率越小。 导电能力很强的物质称为导体。金属一般都是导体，如银、铜、铝、铁 等。原因是其原子最外层的电子受原子核的束缚作用很小，可以自由移动， 成为自由电子。在外电场个用下，自由电子逆电场方向运动而形成电流。导 体的主要特征是电阻率ρ很小，一般在0.01～1 mm 2 / m 之间，例如铜的 电阻率为0.0175 mm 2 / m 。 绝缘体是导电能力极弱的物质。这种物质的核外电子被束缚得很紧，因 而不能自由移动。如橡胶、塑料、陶瓷、石英等都是绝缘体。绝缘体的电阻 14 2 率大于 10 mm / m 。 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。其电阻率在 10～1013 mm 2 / m 之间。如硅、锗、硒、砷化镓等都属于半导体。例如，在 27 ℃ 时， 8 2 8 纯硅的电阻率为 21 ×10 mm / m ；纯锗的电阻率为 47 ×10 mm 2 / m 。此外，半导体还具有不同于其他物质的一些特性： (1)热敏特性 金属的电阻率随温度的变化很小，例如，温度每升高 1 ℃ ，铜的电阻率增加0.4%左右，即温度升高 100℃ ，电阻率增加不到一半。 电子技术 而半导体的导电能力对温度变化反应灵敏，电阻率随温度升高而显著降低。 例如，纯锗在温度从20℃升高到30℃ 时，其电阻率就要降低一半左右。利 用这种特性可以制成各种半导体热敏元件，用来检测温度变化。 (2)光敏特性 金属的电阻率不受光照的影响，但半导体的导电能力对 光照敏感，光照可使半导体的电阻率显著减小。利用这种特性可以制成各种 光敏元件。 (3) 掺杂特性 金属中含有少量杂质时，电阻率没有显著变化。但若在 纯净的半导体中加入微量杂质，其电阻率会发生很大变化，导电能力可增加 几十万乃至几百万倍。例如在纯硅中掺入百分之一的硼后，硅的电阻率会从 8 2 3 2 21×10 mm / m 降到 4×10 mm / m 左右。利用这种特性可制成半 导体二极管，三极管，场效应晶体管及晶闸管等各种不同用途的半导体器件。 为什么半导体会有这些不同于其他物质的特点呢？这要从其原子结构去 分析。 1.1.2半导体的原子结构和共价键 在现代电子技术中，用得最多的半导体是锗和硅，它们的原子结构如图 1- 1 所示。锗和硅的最外层电子都是4个，因此都是四价元素。最外层电子受 原子核束缚力最小，称为价电子。物质的化学性质是由价电子数决定的，半 导体的导电性质也与价电子有关。 +32 +14 +4 a) 锗 （Ge） b) 硅（Si）