本征半导体、n型半导体与p型半导体

　　图4 半导体硅的能带与掺杂示意图

　　在半导体材料中，应用最广泛的就是硅材料，大部分芯片都是用硅晶片制作成的。下面就以硅材料为例介绍本征半导体、n型半导体和p型半导体。没有掺杂的纯硅晶体就是本征半导体，本征半导体中只有很少等量的热激发形成的本征载流子——电子和空穴。电子和空穴浓度都约为1.5×1010/cm3，而每立方厘米中就有约1023个硅原子。在半导体器件中，本征半导体基本没有实际用途，只有掺了一定量杂质的半导体才是有用的，即所谓的“水至清则无鱼，硅至纯则无用”。

　　给硅中掺入杂质磷，就形成了n型半导体。磷的最外层有五个电子，与硅形成共价键后还多出一个电子，这个电子受到磷原子的束缚力很弱，就形成了导带电子，同时形成了一个磷正电中心，所以导带电子的浓度几乎等于杂质磷的浓度。同理，给硅中掺入杂质硼就形成了p型半导体。硼的最外层有三个电子，与硅形成共价键后还少一个电子，就形成了一个带正电的空穴和一个硼负电中心，这个空穴受到硼原子的束缚力也很弱，可以在价带自由运动。p型硅中空穴的浓度也几乎等于杂质硼的浓度。

　　在硅中，杂质浓度一般在1014~1020/cm3的范围，也就是大约103~109个硅原子中有一个杂质原子。杂质提供的载流子浓度远远大于本征载流子浓度，所以，n型半导体就主要靠电子导电，p型半导体主要靠空穴导电。杂质浓度的大小也极大地影响着硅的导电能力。

　　pn结

　　图5 pn结示意图

　　当把一块p型半导体和一块n型半导体结合起来，就形成了pn结，这是绝大多数半导体器件的一个最基本的结构。p型半导体和n型半导体结合后，p型半导体中的空穴会向n型半导体中扩散，在p型半导体中留下了负电中心;n型半导体的电子会向p型半导体中扩散，在n型半导体中留下正电中心，这样就形成了一个内建电场。载流子在内建电场作用下做漂移运动，形成与扩散电流相反的漂移电流，最终达到扩散漂移平衡，形成平衡pn结。此时，内建电场的电势差略小于导带底和价带顶间的电势差。内建电场的区域称为空间电荷区，空间电荷区因为失去了载流子，所以呈现高阻状态。

　　平衡状态的pn结两端有一个电势差，那么接上负载不就会产生源源不断的电流?实际是不可能的，因为负载及其连线是等电位的。金属电极与pn结两端会形成金属半导体接触，也会在接触的半导体一侧区域形成内建电场，最终所有内建电场抵消。不过这个内建电场的宽度与pn结空间电荷区宽度相比十分窄，这利用了隧道效应，使金属和半导体的接触电阻十分小。

　　发光二极管

　　图6 正向偏压下的pn结

　　当pn结两端做好电极引出管脚并封装好后，就形成了一个二极管。二极管的特性基本就是pn结的特性，有的用作整流，有的用来检波，有的可以发光;这些只不过是参数的调节或者材料的改变，其基本原理是相同的。

　　当二极管的两端加上正向偏压，大部分电压就加到空间电荷区上。这时内建电场电压降低，打破了载流子的扩散漂移平衡：p区空穴向n区扩散、n区电子向p区扩散，等效于外加电场给n区注入空穴、给p区注入电子。注入n区的空穴很快与电子复合辐射光子，注入p区的电子也很快与空穴复合辐射光子， pn结就在电场的作用下就不断的发光。在外加正向电压很小时，注入载流子的量极小，肉眼看不到发出的光;只有当外加电压接近或超过内建电场电压时才会大量地注入载流子，这样就可以看见二极管发出明亮的光。对于发光二极管，需要注入的电子和空穴尽快地复合，复合电流占总电流的比例越大发光效率越高，让电能更多地转化为光能而不是热能;而普通二极管一般需要注入的电子和空穴尽量少地复合。至此，就知道了发光二极管发光的秘密。

　　发光二极管的英文简称为LED。在生活中可以见到各种颜色的发光二极管，有的发绿光，有的发红光，有的发蓝光，光彩夺目，还有的发不可见的红外和紫外光。那么，是什么决定了二极管发不同颜色的光?当一个电子从导带跃迁到价带就会辐射一个光子，这个光子的能量E就等于禁带宽度Eg，而光子的波长λ=1.24/E(μm)，所以半导体的禁带宽度基本决定了二极管发光的颜色。

　　白光发光二极管发出的白光不是单色光，而是由多种光混合而成。常见的白光发光二极管使用的是氮化镓半导体材料，其禁带宽度约3.39eV，形成的pn结发的是蓝光(已通过杂质能级调节光子能量)。但是，在二极管中的pn结外面涂有一层黄光荧光粉，当蓝光打到黄光荧光粉上后，发光二极管就发出黄蓝光混合而成的白光。