半导体的发展过程图示（半导体结构详细解说）

一、导体

1、导体原子结构

铜是良导体，其原子结构见图1，第一层2个电子，第二层8个电子，第三层18个电子，最外层只有一个电子。

图1：铜原子结构图

2、价带与核心

原子的最外层电子轨道称为价带轨道，他决定着原子的电特性，铜原子内部简化见图2，叫做核心。

图2：通原子的核心

3、自由电子

原子核心与价电子之间的吸引力很小，外力非常容易使这个电子脱离铜原子，这就是价电子经常称为自由电子的原子的原因，也是铜成为良导体的原因，外加微小的电压，自由电子就在电场的作用下形成定向移动，也就是形成电流。最好的导体是铜、银、金，他们都可以用图2的核心图表示。

二、半导体

最好的导体都有一个价电子，最好的绝缘体都有8个价电子，半导体介于导体和半导体之间，最好的半导体都有4个价电子。

1、锗半导体

早期半导体元器件使用的唯一原材料，但是锗半导体存着致命的缺陷，反向电流过大，后来硅半导体的实用化，大部分器件开始使用硅制造！锗应用的很少了。

2、硅半导体

硅是地球上除氧外含量最丰富的元素，早期硅的提纯技术制约了硅的应用，提纯技术突破后，硅成为半导体的首要材料，硅的原子结构和核心见图3和图4。

图3：硅原子结构图

图4：硅原子核心

三、硅晶体

硅原子结合成固体时，他们排列具有规律性，称为硅晶体。

1、共价键

硅晶体中的的共价键，见图5。

图5：硅晶体中的共价键

2、价带饱和

每个硅原子价带轨道中都有8个电子，8个电子的稳定结构使硅形成稳定的固体，没有人知道为什么原子的最外层轨道为什么都趋向于8个电子，如果一个元素最外层没有8个电子，那么这个元素就与其它元素结合共享电子，以使最外层达到8个电子。

3、空穴

在一定的温度下，硅晶体形成一个自由电子的同时会产生一个空穴，即空穴和电子成对出现。

图6：自由电子和空穴

4、复合与寿命

纯净的硅中，电子和空穴会结合，导致电子和空穴的消失，称为复合，一定条件下，产生的电子和空穴与复合的速度是平衡的，也就是电子和空穴的浓度保持一个稳定的水平。

四、本征半导体

本征半导体是指纯净半导体，如果晶体中每个原子都是硅原子就称为硅本征半导体。

1、自由电子的流动

假设本征半导体中只有一个空穴和电子，图7中电子在正极的吸引下，负极电场的排斥下，从右侧向左侧运动，形成电子的流动。

图7：电子和空穴的移动

2、空穴的流动

空穴被A复合，A点形成新的空穴，A空穴又可以捕获新的电子，形成新的空穴，这样空穴就以ABCDEF的顺序移动，如同一个正电荷在运动。

五、两种电流

本证 半导体中，在外加电压下，形成两种大小相同，方向相反的电流，图8所示。注意，在半导体之外也就是导体中没有空穴的流动。

图8：本证半导体中的两种电流

六、半导体掺杂

提高半导体导电能能力的办法就是掺杂，提高电子或者空穴的浓度。

1、增加电子（N型半导体）

将硅融化，破坏掉共价键，然后加入5价电子，如砷、锑、磷等，形成更多的电子，见图9。

图9：N型半导体

2、增加空穴（P型半导体）

将硅融化，破坏掉共价键，然后加入3价电子，如铝、硼、钾等，形成更多的空穴，见图10。

图10：P型半导体

七、无偏置二极管

1、无偏置PN结

P型半导体和N性半导体结合构成PN结。见图11。

图11：无偏置PN结

2、耗尽层

N区电子在本区域电子的排斥下，在P区空穴的吸引下，越过PN结与P区空穴结合形成偶极子，随着复合的不断进行，PN结附近载流子将进入衰竭状态形成耗尽层，见图12。

图12：PN结耗尽层

3、势垒电压

随着扩散的进行，偶极子增多，每个偶极子都有一个电压，这个电压将阻止电子的进一步扩散，并形成一个电压，这个电压叫做势垒电压。锗二极管约为0.3V，硅二极管约为0.7V。

八、PN结正向偏置

1、PN结正向偏置

如图13中给PN结加上电压，称作正向偏置。

图13：PN结正向偏置

2、PN 电流

正向偏置电路中，电子受到右侧的排斥和左侧的吸引作用，当外加电压小于势垒电压时，电子无法通过耗尽层，不能形成电流。当外加电压超过势垒电压后，N区电子通过耗尽层与P区的空穴结合形成电流，同时空穴从左向右移动形成空穴电流。

九、PN结反向偏置

1、反向偏置

给PN结加上如图14的电压后称为PN结反向偏置。

图14：PN反向偏置

2、耗尽层变宽

反向偏置后，N区电子被电池正极吸引，P区电子被排斥进入N区，然后在电场的作用下再次达到一个新的平衡，耗尽层变宽了，见图15。

图15：PN结在反向电压下耗尽层变宽

3、少子电流

在耗尽层稳定后，还会有电流存在吗？答案是有的，因为分子热运动的原因，PN结附近还会激发出少量的电子和空穴，耗尽层中的少子会部分的穿过PN结，这时就会形成一个 微小的电流，也就是PN反向偏置时会有一个反向的持续的小电流。

4、表面漏电流

除了少子形成的反向电流外，二极管表面存在着一个小电流，这时由于结构缺陷和杂质引起的。

二极管的反向电流加上表面漏电流统称为二极管反向电流。

十一、击穿

因为少子的存在，当电压加大时，少子的动能加大，在运动过程中会与原子发生碰撞，当电子的动能足够大时，会碰撞出更多的电子，这些电子动能继续增大，碰撞出更多的电子，形成雪崩。

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