在我們的日常生活中，經(jīng)常看到或用到各種各樣的物體，它們的性質(zhì)是各不相同的。有些物體，如鋼、銀、鋁、鐵等，具有良好的導(dǎo)電性能，我們稱它們?yōu)閷?dǎo)體。相反，有些物體如玻璃、橡皮和塑料等不易導(dǎo)電，我們稱它們?yōu)榻^緣休(或非導(dǎo)體)。還有一些物體，如鍺、硅、砷化稼及大多數(shù)的金屬氧化物和金屬硫化物，它們既不象導(dǎo)體那樣容易導(dǎo)屯，也不象絕緣體那樣不易導(dǎo)電，而是介于導(dǎo)體和絕緣體之間，我們把它們叫做半導(dǎo)體。絕大多數(shù)半導(dǎo)體都是晶體，它們內(nèi)部的原子都按照一定的規(guī)律排列著。因此，人們往往又把半導(dǎo)體材料稱為晶體，這也就是晶體管名稱的由來(意思是用晶體材料做的管子)。

    物體的導(dǎo)電性能常用電阻率來表示。所謂電阻率，就是某種物體單位長度及單位截面積的體積內(nèi)的電阻值。電阻率越小，越容易導(dǎo)電；反之，電阻率越大，越難導(dǎo)電。

    導(dǎo)體、絕緣體的電阻率值隨溫度的影響而變化很小。但溫度變化時，半導(dǎo)體的電阻率變化卻很激烈；每升高1℃，它的電阻率下降達百分之幾到百分之幾十。不僅如此，當(dāng)溫度較高時，整體電阻甚至下降到很小，以致變成和導(dǎo)體一樣。

    在金屬或絕緣體中，如果雜質(zhì)含量不超過干分之一，它的電阻率變化是微不足道的。但半導(dǎo)體中含有雜質(zhì)時對它的影響卻很大。以鍺為例，只要含雜質(zhì)一千萬分之一，電阻率就下降到原來的十六分之一。

    鍺是典型的半導(dǎo)體元素，是制造晶體管的一種常用材料（注：當(dāng)前的半導(dǎo)體元器件生產(chǎn)以硅Silicon材料為主）。現(xiàn)以鍺為例來說明如何會在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電流、整流性能和放大性能

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    我們知道，世界上的任何物質(zhì)都是由原了構(gòu)成的。原子中間都有一個原子核和者圍繞原子核不停地旋轉(zhuǎn)酌電子。不同元素的原子所包含的電子數(shù)目是不同的。蔗原子的原子核周圍有32個電子，圍繞著原子核運動。原子核帶有正電荷．電子帶有負(fù)電荷；正電荷的數(shù)量剛好和全部電子的負(fù)電荷數(shù)量相等，所以在平時鍺原子是中性的。

    電子圍繞原子核運動，和地球圍繞太陽遠(yuǎn)行相似。在核的引力作用下，電子分成幾層按完全確定的軌道運行，而且各層所能容納的電子數(shù)日也有一定規(guī)律。如圖所示：在鍺原子核周圍的32個電子組成四層環(huán)，圍繞原子核運動。從里往外數(shù)，第一層環(huán)上有2個電子，其余依次為8、18、4個電子。凡是環(huán)上的電子數(shù)為2、8、18時．這些環(huán)上的電子總是比較穩(wěn)定的。若環(huán)上的電子數(shù)不等于以上各數(shù)時，這些環(huán)上的電子總是不太穩(wěn)定。

    因此，鍺原子結(jié)構(gòu)中，第一、二、三層的電于是穩(wěn)定的，只有第四層(即最外一“層)的4個電于是不穩(wěn)定的。因最外一層的電子沒有填滿到規(guī)定的數(shù)目。我們把最外一層的電子叫做價電子。一般來說，最外層有幾個價電子，其原子價就為幾。鍺的最外層有4個價電子，所以鍺的原子價為4。

    受外界作用，環(huán)上的電子可以克服原子核的吸引力而脫離原子，自由活動成為自由電子。這些自由電子在電場力的作用下，產(chǎn)生空間運動，就形成了電流。可以想像，由于最外層的價電子離核比較遠(yuǎn)，所受引力最小，所以最容易受外界影響而形成自由電子。因此，從導(dǎo)電性能看，價電子是很重要的。我們所說的鍺元素就是依靠它最外層的4個價電子進行導(dǎo)電的。  

     鍺晶體內(nèi)的原子很整齊的排列著。各個原子間有相互排斥的力量，而每個原子除了吸引自己的價電子外，還吸引相鄰原子的價電子。因此，兩個相鄰原子的價電子便成對地存在。這一對電子同時受這兩個原子核的吸引，為它們所“共有”。這兩個相鄰原子也通過這個電子對被聯(lián)系在一起。這樣，電子對就好像起了鍵(聯(lián)結(jié))的作用，我們叫它共價鍵。每一個鍺原子以其4個價電子與其他4個鍺原子的價電子組成4個共價鍵而達到穩(wěn)定狀態(tài)。

    在理想情況下，鍺晶體中所有的價電子都織成了電子對，因此沒有自由電子，這時鍺晶體是不易導(dǎo)電的。
 
    但在外力作用下，如受溫度變化，其中可能會有一個價電子脫離鍵的束縛，掙脫共價鍵而跳出來，成為自由電子。這時共價鍵中出現(xiàn)了一個空位，我們把這個空位叫做空穴。由于原子本身正電荷和負(fù)電荷相等，故原子失去了電子后，整個原子就帶正電荷，稱為正離子。正離子容易吸引相鄰原子的價電子來填補，電子離開后所留下的空位，使相鄰原子中又出現(xiàn)空穴，而這個新出現(xiàn)的空穴，又可能為別的電子去填充。電子這樣不斷地填充空穴，就使空穴的位置不斷地在原子問轉(zhuǎn)移。空穴的轉(zhuǎn)移，實際上也是電子(電荷)的運動，所以也就形成電流，這叫做空穴流。而原來失去的屯子，在晶體中運動，形成了電子流。為了便于敘述，今后就認(rèn)為空穴在運動，而且把它當(dāng)作一個正電荷來看(實際上是空穴所在的原子呈現(xiàn)一個單位正電荷的電量)。由于空穴和電子都帶有電荷，它們的運動都形成電流，所以就統(tǒng)稱它們?yōu)檩d流子。

    一塊不含有雜質(zhì)的、品格完整的半導(dǎo)體叫做本征半導(dǎo)體。因為它品格完整，如果有一個電子從共價鍵中釋放出來，必定留下一個空眾。所以本征半導(dǎo)體中電子和空眾總是成對地出現(xiàn)，它們的數(shù)日相等，稱為電子一空穴對。在常溫下，由于熱運動的結(jié)果，在本征半導(dǎo)體中會產(chǎn)生一定數(shù)量的電子一空穴對，形成電子流和空穴流，總的電流是兩者之和。如沒有外界電場作用，電子和空穴的這種運動是雜亂無章的，電子流和空穴流方向也是不定的，結(jié)果互相抵消，沒有凈電流出現(xiàn)。但在電場作用下，這種半導(dǎo)體兩端就出現(xiàn)電壓，電子向正端方向運動，空穴向負(fù)端方向運動，形成了定向電流，半導(dǎo)體內(nèi)就產(chǎn)生電流了。本征半導(dǎo)體因電場作用而產(chǎn)生的導(dǎo)電現(xiàn)象就叫本征導(dǎo)電。

    通常，我們很少見到本征半導(dǎo)體，大多遇到的都是P型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。 
 
    前面說過，半導(dǎo)體中加進了雜質(zhì)，電阻率就大大降低。這是因為加進雜質(zhì)后，空穴和電子的數(shù)目會大大增加。例如，在鍺晶休中摻入很少一點三價元素銦，由于銦的價電子只有三個，滲入鍺晶體后，它的三個價電子分別和相鄰的三個鍺原子的價電子組成共價鍵，而對相鄰的第四個鍺原子，它沒有電于拿出來和這個鍺原子“共有”了，這就留下了一個空穴(見圖1一3(c))。因為摻入了少量的雜質(zhì)銦，就會出現(xiàn)很多空穴；這是因為即使是少量的，里面含有的原子數(shù)目卻不少。雜質(zhì)半導(dǎo)體中空穴和電子數(shù)目不相等，在電場作用下，空穴導(dǎo)電是主要的，所以叫空穴型半導(dǎo)體或者說是P型半導(dǎo)體。換句話說，P型或空穴型半導(dǎo)體內(nèi)是有剩余空穴的，摻入的雜質(zhì)提供了剩余空穴。在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)，所以稱空穴為多數(shù)載流子；電子數(shù)目少，就叫少數(shù)裁流子。滲入的雜質(zhì)能產(chǎn)生空穴接受電子，我們叫這種雜質(zhì)為受主雜質(zhì)。

    如果把五價元素砷摻入鍺晶體中，砷原子中有5個價電于，它和四個鍺原子的價電子組成共價鍵后，留下一個剩余電子，這個剩余電子就在晶體中到處游蕩，在外電場作用下形成定向電子流。摻入少量的砷雜質(zhì)就會產(chǎn)生大量的剩余電子，所以稱這種半導(dǎo)體為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。在這種半導(dǎo)體中有剩余電子，這時電子是多數(shù)載流子，而空穴是少數(shù)載流子。因為砷是施給剩余電子的雜質(zhì)，所以叫做施主雜質(zhì)。

    如果沒有外電場的作用，不論N型或P型半導(dǎo)體，它們的載流子運動是無規(guī)則的，因此，不會形成電流

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    把一塊P型半導(dǎo)休和N型半導(dǎo)體緊密聯(lián)接在一起時(實際上只能用化學(xué)方法將兩個原來獨立的鍺片合在一起)．就會發(fā)現(xiàn)一個奇怪的現(xiàn)象，即在它們的兩端加上適當(dāng)?shù)碾妷簳r，會產(chǎn)生單向?qū)щ娪^象。因為這時在它們的交界面上形成了一個所謂P—N結(jié)的結(jié)構(gòu)，單向?qū)щ姮F(xiàn)象就發(fā)生在這一薄薄的P—N結(jié)中。P—N結(jié)是晶體管的基礎(chǔ)，它是由擴散形成的。

    我們知道，P型半導(dǎo)體內(nèi)空穴是多數(shù)載流子，即空穴的濃度大；而N型半導(dǎo)體內(nèi)電子是多數(shù)載流予，電子的濃度大。二者接觸之后，由于在P型區(qū)和N型區(qū)內(nèi)電子濃度不同，N型區(qū)的電子多，就向P型區(qū)擴散，擴散的結(jié)果如圖1—4(b)所示。N型區(qū)薄層I中部分電子擴散到P型區(qū)去，薄層I便因失去電于而帶正電。另一方面，P型區(qū)的空穴多，也會向空穴濃度小的N型區(qū)擴散，結(jié)果一部分空穴從薄層I向P(型區(qū)擴散，使薄層Ⅱ帶負(fù)電。

    電于和空穴的擴散是同時進行的，總的結(jié)果，P型區(qū)薄層Ⅱ流走了空災(zāi)，流進了電子，所以帶負(fù)電，而N型區(qū)的薄層I流走了電子，流進了空穴，因而帶正電，而且隨著擴散現(xiàn)象的繼續(xù)進行，薄層逐漸變厚，所帶的電量也逐漸增加。不過，這種擴散現(xiàn)象不會無休止的進行下去；當(dāng)擴散進行到一定程度后，薄層Ⅱ帶了很多負(fù)電，從N型區(qū)向P型區(qū)擴散的電子總數(shù)因電子受到它的排斥不再繼續(xù)增加；同樣道理，從P型區(qū)向N型區(qū)擴散的空災(zāi)總數(shù)也不再增加。于是擴散似乎不再繼續(xù)，而達到所謂“動態(tài)平衡狀態(tài)”。這時P—N結(jié)也就形成了。

    所謂P—N結(jié)，就是指薄層I和Ⅱ所構(gòu)成的帶電結(jié)構(gòu)。因為它能阻止電子和空穴的繼續(xù)擴散，所以也叫阻擋層。它們之間的電位差一般稱勢壘或位壘。

    我們用圖來闡明P—N結(jié)的單向?qū)щ娦阅堋Ｒ勒請D示方法，將P型區(qū)接電池正極，N型區(qū)接負(fù)極。向右調(diào)動電位器，使加到P—N結(jié)構(gòu)端的電壓逐頹增高，就會發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電壓表讀數(shù)增高時，電流表的讀數(shù)也隨之增大。此時，P—N結(jié)的電阻很小，這種接法叫正向聯(lián)結(jié)。

    若反過來，把P型區(qū)接電池負(fù)極，而N型區(qū)接正極，這時我們會發(fā)現(xiàn)：把電壓增高到幾十伏，電流的指示只有幾個或幾十個微安，此時P—N結(jié)的電阻很大，反向電流很快就達到飽和不再增加了。這說明電流只能沿著一個方向流過P—N結(jié)，這個現(xiàn)象就叫做單向?qū)щ姟?/P>

    單向?qū)щ姮F(xiàn)象可以這樣來解釋；因為在P型區(qū)接電池正極而N型區(qū)接負(fù)極時，外加電壓的方向剛好和P—N結(jié)勢壘電壓的方向相反，使薄層Ⅱ帶的負(fù)電量和薄層I帶的正電量減少，因此削弱了P—N結(jié)的勢壘，于是在正電壓的作用下，電子和空穴的擴散又可進行，N型區(qū)的電子不斷跑到P型區(qū)，P型區(qū)的空穴也不斷跑到N型區(qū)，正向電流也就產(chǎn)生了。而且，正向電壓加得越高，P—N結(jié)勢壘削弱得越厲害，擴散也就越容易進行，正向電流也就越大。

    當(dāng)P—N結(jié)和電池反向連接時，外加電壓起著增強P—N結(jié)勢壘的作用，使薄層Ⅱ帶的負(fù)電荷和薄層I帶的正電荷增加，擴散更無法進行。這時只有P型區(qū)的少數(shù)教流子一電子和N型區(qū)的少數(shù)我流子一空穴，受外加電壓作用形成微弱的反向電流。而少數(shù)栽流子的數(shù)目不多，所以在反向電壓只有零點幾伏時，反向電流就達到飽和了。

    P—N結(jié)還有一個十分重耍的特性，即所謂反向擊穿電壓。當(dāng)所加反向電壓大到一定數(shù)值時，P—N結(jié)電阻會突然變得很小，反向電流會驟然增大，而且是無限地增大。這種現(xiàn)象叫P—N結(jié)的反向擊穿。開始擊穿時的電壓數(shù)值叫反向擊穿電壓。它直接限制了P—N結(jié)用做整流和檢波時的工作電壓。

    總之，一個簡單的P—N結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦裕雽?dǎo)體收音機正是利用這一特性來進行整流和檢波的。半導(dǎo)體二極管就是根據(jù)這一原理制成的。