第1章 集成电路器件与模型

1.1 PN结与二极管

1.1.1 半导体与PN结

导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。在半导体器件中最常用的是硅和锗两种材料，它们都是4价元素，在原子结构中最外层轨道上有4个价电子。物质的化学性质是由价电子决定的，导电性能也与价电子有关，其中纯净的半导体称为本征半导体。半导体中存在两种载流子，即带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。晶体中的共价键具有很强的结合力，在热力学零度（-273.16℃）时，价电子没有能力脱离共价键的束缚，晶体中没有自由电子，半导体不能导电。室温下，少数价电子因热激发而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为自由电子，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为空穴。

如果这时施加电场，电子将形成电子电流，空穴形成空穴电流。虽然两种载流子的运动方向相反，但因它们所带的电荷极性也相反，所以两种电流的实际方向是相同的，它们的和即是半导体中的电流。本征半导体的导电能力很弱，但是掺入其他微量元素就会使其导电性能发生显著变化。这些微量元素的原子称为杂质，掺入杂质的半导体称为杂质半导体，有N型和P型两类。

PN结是构成各种半导体器件的基础，指在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体的交界面附近就形成了PN结。图1.1为PN结示意图。