1. 摻雜半導體 上面我們分析了本徵半導體的導電情況，但由於本徵半導體的導電能力很低，沒什麼太大用處。所以，一般我們會對本徵半導體材料進行摻雜，即使只添加了千分之一的雜質，也足以改變半導體材料的導電特性。通過加入不同特性的摻雜的元素，可以做出兩種不同性質的半導體材料：n型半導體材料和 p型半導體材料 ...
1. 摻雜半導體
上面我們分析了本徵半導體的導電情況，但由於本徵半導體的導電能力很低，沒什麼太大用處。所以，一般我們會對本徵半導體材料進行摻雜，即使只添加了千分之一的雜質，也足以改變半導體材料的導電特性。通過加入不同特性的摻雜的元素，可以做出兩種不同性質的半導體材料：n型半導體材料和 p型半導體材料，下麵分別予以介紹。
（1） n型半導體
n型半導體材料是通過對本徵半導體摻入有5個價電子的元素得到的，常見的5價元素有：銻（Sb）、砷（As）、磷（P），下麵以銻作為摻雜元素、硅作為本徵基片來舉例，見下圖所示：
圖 1-2.01
在圖中我們可以看到，銻的5個價電子中，有4個分別和旁邊的硅原子形成了共價鍵，受到硅原子和銻原子的雙重束縛。但是還剩餘一個電子沒有形成共價鍵，這個剩餘電子本來就處於銻原子的導帶和價帶之間的重疊地帶，所以受銻原子的束縛非常弱，可以在n材料中成為自由電子。這相當於銻原子貢獻了一個自由電子，因此這種5價的摻雜原子稱為：施主原子（donor atom）。
雖然n型材料中有大量的自由電子，但是n材料中也還是有空穴的，這些空穴由原來的本徵硅材料產生，雖然數量非常小，但也不是沒有。我們把n材料中的自由電子稱為多數載流子（majority carriers），簡稱多子；而把n型材料中的空穴稱為少數載流子（minority carriers），簡稱少子。
“n”的含義是指，其多數載流子為帶負電荷（negtive）的自由電子。需要強調的是，雖然稱為n型材料，但材料本身還是中性的，其總正電荷與總負電荷數量相等。
（2） p型半導體
p型半導體材料是通過對本徵半導體摻入有3個價電子的元素得到的，常見的3價元素有：鋁（Al）、硼（B）、鎵（Ga），下麵以硼作為硅基片的摻雜元素舉例，見下圖所示：
圖 1-2.02
在圖中我們可以看到，由於硼只有3個價電子，導致它和周圍的共價鍵網格中，還缺少1個電子，因此留下一個空穴，這個空位可以方便地接受一個自由電子。這種3價的摻雜原子稱為：受主原子（acceptor atom）。
同樣的，p型材料中雖然有大量的空穴，但也還是有少量的自由電子的，這些自由電子由原來的本徵硅材料產生。所以在p型材料中的多數載流子為空穴，而少數載流子為自由電子。
“p”的含義是指，其多數載流子為帶正電荷（positive）的空穴。仍然需要強調的是，雖然稱為p型材料，但材料本身還是中性的，其總正電荷與總負電荷數量相等。
2. PN結
在一塊本徵硅材料上摻雜，讓其一半形成n型材料，另一半型成p型材料，則在交界處會形成一個稱為PN結（p-n junction）的結構。這就是一個基本的二極體（diode）。二極體的符號見下圖：
圖 1-2.03
其中，陽極（Anode）和陰極（Kathode）這兩個名詞是從更古老的電子管時代遺留下來的（是的，電子管時代就有二極體了），對於現代的晶體管結構二極體，似乎叫P級和N級更合適一些，不過既然已經約定俗稱這麼叫了，就這麼叫吧。
（1） 耗盡層
在p區和n區的交界面附近，處於n區的導帶的自由電子，由於熱擴散的作用，會有一部分進入到p區，由於p區存在大量的空穴，這些擴散過來的自由電子會很容易與p區的空穴複合。由此產生兩個影響：
① 在n區，由於5價的摻雜原子失去了一個電子，因此變成了一個帶正電的離子；② 在p區，由於3價的摻雜原子捕獲了電子，因此變成了一個帶負電的離子，如下圖所示（固體中的離子是不能動的，所以圖中畫成了方形）：
圖 1-2.04
同樣的，處於p區的空穴，由於熱擴散的作用，也會有一部分進入到n區，並且與n區的自由電子結合（這裡再次聲明一下，空穴移動的本質，是價帶電子在空穴間移動造成的，但我們將空穴看成為一種帶“正電荷”的移動粒子，分析起來會比較方便）。
空穴從p區擴散到n區，同樣會產生兩個影響：在p區的3價摻雜原子失去一個空穴（失去一個空穴可以理解為失去一個“正電荷”），而變為一個帶負電的離子；在n區的某原子獲得一個空穴（n區的5價原子和硅原子都可以獲得空穴），而變為一個帶正電的離子。
可以看到，無論是自由電子的擴散還是空穴的擴散，都會使p區的負離子越來越多，而n區的正離子越來越多。
當這些離子越積越多後，會在pn結附近形成一個內建電場E，如下圖所示：
圖 1-2.05
而這個內建電場會產生一種阻力，阻礙上面的擴散運動，也阻礙電場自身繼續變得更強，這個分析稍微有點複雜。有8種情況要討論，我們這裡僅分析n區的4種情況（p區的4種情況類似，只是方向相反）。
（1） n區電場外部的自由電子，會由於擴散作用而進入電場，當它們一旦進入這個電場，都要受到一個反方向的電場力，使得它們彈回去，不再能輕易到達對面的p區，這個效果阻礙n區的自由電子擴散到p區。（但也不是沒有，只有那些動能極高的自由電子，才能穿過電場，到達對面的p區，只不過數量極少）。
（2） n區電場內部的自由電子，其中的大多數自由電子已擴散到p區，並與p區的空穴複合形成了負離子。一旦與p區的空穴結合後，就回不來了，所以在電場內部的n區基本沒有自由電子。
（3） n區電場外部的空穴（硅材料原生的，很少），一旦進入這個電場，會受到電場力的作用，加速進入p區，接著與p區的負離子複合，削減電場強度。
（4） n區電場內部的空穴（主要是p區擴散過來的），過來的空穴基本上都已經與n區的自由電子結合，形成了正離子。所以在電場內部的n區也沒有空穴。
（5）~（8） p區的情況也是類似，讀者可自行推演。
其實，即便你不想燒腦去搞清楚上面（1）~（8）的情況也沒關係，只要記住下麵2個結論就行了：
● 在pn結的內建電場區域中，既沒有自由電子，也沒有空穴，所以這個區域稱為耗盡層（depletion region）。
● 自由電子和空穴的擴散運動使內建電場增強，而這個內建電場反過來會阻礙擴散運動的繼續進行（同時也阻礙電場自己變得更強）。最後兩者會達到一個平衡狀態，在耗盡層形成一個平衡的電場，進而產生內建電勢差，這個電勢差也被稱為勢壘電壓（barrier voltage）。在室溫下，一般硅基材料的勢壘電壓大約為0.7V，鍺基為0.3V。
（2） PN結反偏
如果把一個外部電壓源加到PN結上，使電源正極連接n型材料，電源負極連接p型材料，如下圖所示，這種接法稱為反向偏置（reverse-bias）。
圖 1-2.06
分析時，電源的正極和負極可以看成這樣一種抽象：電源正極有吸引電子和排斥空穴的趨勢，並可以無限量接收電子和提供空穴；電源負極有吸引空穴和排斥電子的趨勢，並可以無限量接收空穴和提供電子。
先來分析多數載流子的情況，電源正極吸引n區中的自由電子，從而使得n區產生更多的正離子；而電源負極吸引p區中的空穴，從而使得p區產生更多的負離子；進而使得耗盡層的內建電場和勢壘電壓變得更大，如下圖所示：
圖 1-2.07
直到最後內部的勢壘電壓等於外加的反偏電壓，此時，電源正極無法再從n區吸收到自由電子，而電源負極也無法再從p區吸收到空穴，兩者達到一種平衡。此時多子流減為0。
然後再考慮少數載流子的情況：在p區的耗盡層外部會有一些極少量的自由電子，它們被電源負極排斥而進入PN結內建電場，然後被內建電場加速而推到n區，最後穿過n區被電源正極吸收；而電源的負極會補給新的自由電子到p區，如此形成持續的少子電流。在n區的少子“空穴”的情況也是類似（在n區的少子空穴，被電源正極排斥而進入並且穿過內建電場，最後被電源負極吸收）。但是由於少子的總數非常小，因此這個少子電流非常微弱（一般在幾個微安左右）。
這個在反偏電壓下的電流稱為反向飽和電流（reverse saturation current），用IS表示。飽和的意思是指：隨著反偏電壓的增大，反偏電流維持不變，不會持續增大。
（3） PN結正偏
當把外電源的正極接到二極體的p型材料，電源負極接到n型材料，這種接法稱為正向偏置（forward-bias），如下圖所示：
圖 1-2.08
在正偏情況下，p區的空穴被電源正極推向耗盡層，從而與p區耗盡層的一部分負離子複合；同樣的，n區的自由電子被電源負極推向耗盡層，從而與n區耗盡層的一部分正離子複合，這樣就等於是削弱了耗盡層的內建電場和勢壘電壓。如下圖所示：
圖 1-2.09
隨著外部電源正偏電壓的增大，內建電場不斷被削弱，直到外部電壓可以剋服內部勢壘電場時，n區的電子和p區的空穴可有足夠的能量進入對方區域，再而流到電源，這將導致電流極快增長，此時稱二極體為導通狀態，在圖中表示為ID。這裡有一個比較有趣的問題：自由電子進入p區後如何運動？回答是，自由電子進入p區後，會與價帶的空穴複合，然後在價帶中沿著空穴一路運動到電源負極。也就是說，在p區運動的多數載流子仍然是空穴。
至於正偏情況下的少子電流，在正偏電壓很小時，會有非常微弱的少子電流。但由於少子的總數相當小，與多子電流相比，一般可忽略不記。
（4） 反向擊穿
再回來講反偏。雖然在反偏條件下，反向飽和電流不隨反偏電壓的增大而增大，但反偏電壓也不能太大，當反偏電壓過大時，會引起二極體的反向擊穿（reverse breakdown）。有2種機制會引起反向擊穿，分別是雪崩擊穿（avalanche breakdown）和齊納擊穿（Zenor breakdown）。
先講雪崩擊穿。前面在講反偏的時候講過，少數載流子在經過耗盡層時，會被內建電場加速一下。當反偏電壓越大時，內建電場的勢壘電壓也越大，給少子的加速也越大，當少子的動能足夠大時，它會撞擊破壞其他原子的共價鍵，進而撞擊出一個新的“自由電子-空穴”對。這個新的“自由電子-空穴”對，同樣會被內建電場加速，再去撞擊其他的共價鍵，最後引起雪崩效應，導致反向電流急劇增大。雪崩擊穿會造成二極體的永久損壞，這是必須避免的。生產商通過調節摻雜濃度來控制雪崩電壓值，常用二極體的雪崩擊穿電壓一般在幾十伏到幾百伏不等。
另一種擊穿機制是齊納擊穿。同樣是在反偏條件下，在耗盡層的內建強電場會破壞其中原子的結合力，從而強行電離出“電子-空穴”對。一般齊納電壓值比雪崩電壓值會低一些，但也不是一定的。對於普通二極體，無論是雪崩擊穿還是齊納擊穿，都會造成二極體的永久損壞。所以一般二極體的規格書上不區分兩者，統一稱為峰值反向電壓，簡稱PIV（peak inverse voltage），也有的廠商把它簡寫為PRV（peak reverse voltage），或BV（breakdown voltage），在一些教材上也把它寫成VBV，都是一個意思。
另外有一種特殊二極體稱為齊納二極體（Zener diode），也叫穩壓二極體，它專門可以工作於齊納擊穿電壓而不損壞。齊納二極體是在電子電路中比較常用的一種元器件，通常用於保護線路不被意外的高電壓擊壞，這個後面我們會單獨介紹。
好了，關於半導體與PN結內部的工作原理就解釋到這裡，以上的內容都只是為了幫助學習者快速理解的一種簡化模型，其實半導體材料真正的內部工作機理非常複雜，如果你真的還想刨根問底，可以去看《固體物理》、《半導體器件基礎》之類的書，說實話，再深了我也不懂 ：）
（ end of 1-2 ）
