从半导体谈起

晶体管是用半导体做成的。要了解晶体管的工作原理，最好先从半导体谈起。

在日常生活和生产实践中，我们常把物质按照它的特性进行分类，以便更好地开展科学研究。例如根据物质的导电性能，把物质分为导电体（简称导体）和绝缘体。导体能够传导电流，对电流的阻力很小，这类物质有金、银、铜、铝、铁等金属。绝缘体一般不导电，或者说对电流的阻力很大，这类物质有塑料、陶瓷、橡胶、玻璃、木材等等。

同样形状大小的导体和绝缘体，它们的电阻相差极为悬殊。例如横截面积为1平方厘米、长度为1厘米的导体，它的电阻一般在千万分之一到百万分之一欧之间，而这样的绝缘体，电阻一般在一亿欧以上！有些物质，在上述的形伏大小下，它的电阻介于千分之一到一亿欧之间。这类物质，我们叫它为半导体，例如锗（化学符号为Ge），硅（Si）等等。

半导体有哪些特点呢？主要的有以下三点。

1．在半导体材料中，如果加入某种其他物质，例如磷（P）、砷（As）、硼（B）、镓（Ga）等等，半导体的导电能力就大大增加。例如在纯净的半导体材料硅（Si）中，掺进千万分之一的磷（P），那么它的导电能力就可增大20多万倍！金属导体的情况正好相反。如果在金属导体中掺入杂质，导电能力不但不增加，而且要减小。绝缘体掺入杂质后，它的导电能力虽然有所增加，但不如半导体增加得那样显著。

2.半导体的导电能力，在不同的温度下，显著不同。温度升高，导电能力显著增加。例如硅（Si）在200℃时的导电能力要比在一般室温时增加几千倍。金属导体的情况，也与此相反，它的导电能力随温度升高而降低。绝缘体的导电能力虽然随温度升高而增加，但远不加半导体那样突出。

3．半导体受光照射时，也可以大大提高导电能力，例如硫化镉（一种半导体，化学符号为CdS），在一般灯光照射下，它的导电能力比移去灯光后要大几十到几百倍。金属材料和一般绝缘体不具备这种特性。

半导体为什么有这些特点呢？唯物辩证法认为外因是变化的条件，内因是变化的根据，外因通过内因而起作用。根本原因在于事物内部的矛盾运动。下面就讲讲半导体物质的内部结构。

大家知道，物质是由原子构成的。原子又是由电子和原子核构成的。电子带负电，原子核带正电。电子分层围绕原子核不停地运动，就像行星围绕太阳运转一祥。电子的层数，每层的电子个数，各种物质互不相同。

由于电子带负电，原子核带正电，正电负电相互吸引，所以它们之间有吸引力。这种吸引力大小与相互间的距离关系很大，彼此愈靠近，吸引力也愈大。因此，内层电子受原子核的吸引力较大，外层电子受到的吸引力就较小。金属物质的原子中，外层电子受原子核的吸引力很小，因此有大量的电子能挣脱原子核的束缚而成为自由电子。这些自由电子，在外加电压的作用下，就能作有规律的运动，传导电流。所以，金属物质有良好的导电性能。

绝缘体材料中，原子中的外层电子受原子核的束缚力很大，不容易形成自由电子。在一般条件下，几乎没有自由电子，所以不导电。除非加上特别高的电压，产生极强的外力作用，才能把外层电子“拉”出来，这时绝缘体也能导电。这种现象，我们叫做绝缘体击穿。因此，绝缘体也是在一定条件下才绝缘的。

为了较详细地了解半导体的导电情况，在图1中画出了半导体硅和锗的原子结构示意图。硅（Si）原子中有14个电子，分为三层，从内向外，第一层有2个电子，第二层有8个电子，第三层有4个电子。锗原子中有32个电子，分为四层，每层的个数分别为2；8；18；4。在一般情况下，实际起作用的只是外层的电子，在化学里把这层的电子叫做价电子。

图1中画的是单个原子的情况。实际上物质中的原子数目是很多很多的，而且物质内部原子排列的方式也不相同。有的有固定的结构形式，有的没有固定的结构形式。原子排列有一定结构形式的物质，叫做晶体。半导体器件都是用晶体材料做成的，所以半导体管又叫做晶体管。现在我们就进一步介绍一下晶体硅和锗的内部原子排列结构。

晶体硅和晶体锗的原子排列是相同的，如图2所示。从图2可以看出，以一个原子为中心，这个中心原子拿出一个价电子和它的一个邻居原子共用，每个邻居原子也拿出一个价电子和中心原子共用。中心原子有4个价电子，所以它可以用这种方式结合四个相邻原子。这样结合后，价电子一方面围绕自己的原子核运动，另一方面也时常出现在共用它的原子所属的轨道上。每对共用的价电子，使它们所属的两个原子间产生一个束缚力，就像键条一样把两个原子互相拉着。这种靠共用价电子而实现的结合，就叫做共价键（键的意思就是结合）。

图2是平面图，实际上原子排列是立体的，如图3所示。原子间用两条直线连接，表示它们的价电子键合关系。图2图3是以某一个原子为中心的情况，实际上每个原子同时都是上述的中心原子，图4图5较全面地表示了这种排列情况。

从以上介绍的晶体内部结构可以看出，价电子不但受它的原子核的束缚，而且由于与相邻原子键合，也就增加了束缚力，要成为自由电子就增加了一些困难，导电能力就比导体差很多。在光和热的冲击下，可以击破某些共价键，产生自由电子，所以半导体的导电能力，受光照和温度的影响很大。

上面讲金属导体时，说明了电流是靠自由电子传导的。这种传导电流的自由电子，叫做载流子。在半导体中，载流子的情况要复杂些。首先讲讲半导体中的载流子是怎样产生的。从图2看来，共价键上的电子是两个原子共用的，被束缚在两个原子附近，不能到处乱跑，好像没有载流子。但是世界上的事情是复杂的，是由各方面的因素决定的，看问题要从各方面去看，不能从单方面看。原来共价键电子虽然处于束缚状态，但是这种束缚不是牢不可破的。只要给电子一定能量，例如一般室内温度的热量，就能使一部分共价键的电子获得足够能量挣脱共价键的束缚，成为自由电子，即成为载流子。

共价键电子成为载流子后，它在共价键中就留下一个空位，我们叫它为空穴。我们知道，电子是带负电的，原子核是带正电的，两者数量相等，平时电荷平衡，不呈带电性。如果跑出一个电子，则原子的中性被破坏，而显出带正电，这样一来，有空穴的原子便能吸引电子，会把邻近原子中的价电子吸过来，填补这个空穴，同时在这个相邻原子中就出现另一个空穴。如此继续进行，空穴就像接力赛跑一样运动，见图6。因此，空穴也可以看成是载流子，叫做空穴载流子。与电子载流子不同，空穴载流子是荷正电的。

因此，半导体中有两种载流子，即电子载流子和空穴载流子。

以上讲的都是理想的纯净半导体的情况。如果在纯净的半导体中有选择地掺入杂质，例如在硅晶体中掺入磷（P），情况会有什么变化呢？

磷（P）原子的价电子有5个。这样，掺入磷后，一个磷原子代替一个硅原子的位置，组成上述的共价键，就会多出一个电子，如图7所示。这个多余的电子没有被束缚在共价键内，只受到磷原子核的吸引，所以它受到的束缚力小得多，在室温时就足以摆脱束缚而成为自由电子。因此，这种掺磷的硅晶体中（掺其他有5个价电子的元素也一样），电子载流子就大量增加，而成为主要的载流子。在这种情况下，空穴载流子不是主要的。我们把电子载流子叫做多数载流子，而把空穴载流子叫做少数载流子。这种半导体，就叫做电子性半导体，简称N型半导体。

如果在纯净的半导体中掺入有3个价电子的元素，例如在硅中掺硼（B），那么在硼原子代替硅原子组成共价键结构时便缺少一个价电子，产生一个空位，即空穴。相邻硅原子的共价键电子就可以过来填补这个空位，这样就在这个硅原子中产生一个空穴，如图8所示。由于硼原子外层多了一个电子，所以这个硼原子便带负电，对邻近硅原子中产生的空穴（带正电）便有吸引力，使这个空穴受到一些束缚，但束缚力很小，很容易挣脱束缚成为载流子。因此，在这种半导体中，空穴载流子是多数载流子，电子载流子是少数载流子。我们把这种半导体叫做空穴性半导体，简称P型半导体。（丁编）