自然界中的物质，按其导电性能可分为3大类：导体、半导体和绝缘体。易于传导电流的物质称为导体，如金、银、铜、铝等金属材料；很难传导电流的物质称为绝缘体，如橡胶、塑料等材料；半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。现代电子技术中常用的半导体主要有硅（S i ）、锗（Ge）和化合物半导体砷化镓（GaAS）等，硅是目前常用的一种半导体材料，其次是锗半导体材料。

半导体导电除了在导电能力方面不同于导体和绝缘体外，它还具有一些其他物质不具备的特点如下。

①热敏性。当半导体材料受外界热刺激时，其导电性能将发生显著改变。

②光敏性。当半导体材料受外界光照射时，其导电性能将发生显著改变。

③掺杂性。在纯净半导体材料中，掺入微量杂质，半导体的导电能力会有显著增加。

利用半导体导电的这些特点，可以制成半导体热敏器件、光敏器件和半导体二极管、三极管、场效应管等器件。

（一）本征半导体

完全纯净的、结构完整的半导体材料

⒈ 本征半导体的原子结构及共价键

硅和锗都是四价元素，它们都具有4个价电子。在本征半导体材料硅和锗中，每个原子外层的价电子不仅受到自身原子核的束缚，而且受到周围相邻原子核的束缚，每个价电子的个别轨道，此即晶体中共价键结构。共价键没得两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。图1.1所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。

⒉本征激发和两种载流子——自由电子和空穴

绝对零度（T=0K, T= t+273）下，本征半导体中没有可以自由移动的带电粒子（载流子），半导体材料不导电。但在一定的温度下，如T=300K时，由于热激发，少数束缚电子会获取足够的能量脱离共价键的束缚而成为自由电子（可以自由移动的电子载流子），这种现象叫本征激发。温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，这个空位被称为空穴。

在本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。图1.2所示为本征激发所产生的电子空穴对。

如图1.3所示，空穴（如图中位置1）出现以后，邻近的束缚电子（如图中位置2）可能获取足够的能量来填补这个空穴，而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空位，另一个束缚电子（如图中位置3）又会填补这个新的空位，这样就形成束缚电子填补空穴的运动。为了区别自由电子的运动，将此束缚电子填补空穴的运动称为空穴运动。

由此可见，空穴也是一种载流子。半导体材料中空穴越多，其导电能力也就越强。

3.结论

①半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。

②本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。

③一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。

④温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。

空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。

（二）杂质半导体

在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能显著改变。根据渗入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。

1.N型半导体

在硅半导体晶体中，渗入微量的五价元素，如磷（P）、砷（A）等，则构成N型半导体。

五价的元素有5个价电子，它们进入由硅或锗组成的半导体晶体中，五价的原子取代四价的硅原子，在与相邻的硅原子组成共价键时，因为多一个价电子不受共价键的束缚，很容易成为自由电子，于是半导体中自由电子的数目大量增加。自由电子参与导电移动后，在原来的位置留下一个不能移动的正离子，半导体仍然呈现电中性，但此时没有相应的空穴对产生，如图1.4所示。

例如，在室温27℃时，每立方厘米本征硅材料中约有1.5×1010个自由电子或空穴，掺杂后成为N型半导体，其自由电子数码可增加几十万倍。由于自由电子增多而增加了复合的机会，空穴数目便将受到每立方厘米2.3×105个以下。所以N型半导体中，自由电子为多数载流子，简称为多子；空穴为少数载流子，简称为少子。N型半导体主要靠自由电子导电。

2.P型半导体

在硅（或锗）半导体晶体中，渗入微量的三价元素，如硼（B）、銦（IN）等，则构成P型半导体。

三价的元素只有3个价电子，在与相邻的硅原子组成共价键时，由于缺少一个价电子，在晶体中便产生一个空位，邻近的束缚电子路考获取足够的能量，有可能填补这个空位，使原子成为一个不能移动的负离子，半导体仍然呈现电中性，但此时没有相应的自由电子产生，如图1.5所示。

P型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）。P型半导体中主要靠空穴导电。

（三）PN结及其单向导电性

1. PN结的形成

将一块半导体的两边分别做成P型半导体和N型半导体。由于P型半导体中空穴的浓度大，自由电子少，N型半导体中自由电子的浓度大，空穴少，即载流子存在浓度的差别，P区的空穴将越过交界面向N区扩散，在P区留下不能移动的负离子，而N区的自由电子会向P区扩散，在N区则留下不能移动的正离子。这种多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图1.6所示。

空穴和自由电子均是带电的粒子，扩散的结果是使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，此离子层被称为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.7所示。在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此又称为空间电荷区为耗尽层。

空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场的方向会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内电场可推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。

2. PN结的单向导电性

如果在PN结两端加上不同极性的电压，PN结会呈现出不同的导电性能。

⑴ PN结外加正向电压

PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏，如图1.8所示。

这时，外加电压在PN结上形成的外电场方向与内电场的相反，PN结原来的平衡状态被打破，使扩散运动强于漂移运动，外电场驱使P区的空穴和N区的自由电子分别由两侧进入空间电荷区，从而抵消了部分空间电荷的作用，使空间电荷变窄，内电场被削弱，有利于扩散运动不断进行。这样，多数载流子的扩散运动大为增强，从而形成较大的扩散电流。外部电源不断向半导体提供电荷，使电流得以维持，这时PN结所处的状态称为正向导通。PN结正向导通时，通过PN结的电流（正向电流）大，而PN结呈现的电阻（正向电阻）小。

⑵ PN结外加反向电压

PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏，如图1.9所示。

这时，外电场的方向与内电场的相同，PN结原来的平衡状态同样被打破空间电荷区变得更宽，扩散运动难以进行，漂移运动却被加强，从而形成反向的漂移电流。由于少数载流子的数目很少，故形成的反向电流也很小。PN结这时所处的状态称为反向截至。PN结反向截至时，通过PN结的电流（反向电流）而PN结呈现的电阻（反向电阻）大。因为环境温度愈高，少数载流子的数目愈多，所以温度对反向电流的影响很大。

结论：PN结的单向导电性是指PN结外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压是否处于截至状态。