集成电路的设计 —— 半导体

半导体（semiconductor），指常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料。

半导体在：

• 收音机；
• 电视机；
• 测温上；

有着广泛的应用。如二极管就是采用半导体制作的器件。半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。

1. PN 结

能带结构与能带理论

PN 结就是 P 型半导体和 N 型半导体通过工艺接触在一起的结构。在说 N型、P 型半导体之前，先说一下空穴的概念。空穴实际上是一个等效的概念。当电子离开原有位置，便在此留下一个带正电的空穴。周围所有电子的运动都可以等效为这一个空穴的运动。

空穴在价带的移动，同样可以导电。

然后，我们来看 P 型、N 型半导体。它们是通过在半导体中掺杂得到的。未经掺杂的半导体，价带会有部分电子受热激发到导带，在导带移动，同时在价带留下可移动的空穴，使半导体导电。导带的电子和价带的空穴浓度时相同的。但是，电子和空穴的浓度都很低，电导率不高。而通过掺杂，可以大大提高半导体中电子或空穴的浓度。

2. N 型半导体

N：Negative

N 型半导体以在硅中掺杂磷为例。硅（14：2,8,4）最外层4个电子，磷（15:2,8,5）最外层 5 个电子。掺杂后，半导体部分原子（硅原子）被杂质原子（磷原子）取代，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子。于是，就成为了含自由电子浓度较高的半导体即 N 型半导体，N 即为negative，代表带负电的电子。与未掺杂的半导体不同的是，N型半导体中电子浓度远大于空穴浓度。同时，N型掺杂使得费米能级高于未掺杂时。

3. P 型半导体

P：Positive

P 型半导体的制备与此类似。掺入少量杂质硼元素（2,3， 或铟元素，2,8,18,18,3）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”，成为能够导电的物质。P 即 positive，代表导电的是带正电的空穴。与未掺杂的半导体不同的是，P 型半导体中空穴浓度远大于电子浓度。同时，P型掺杂使得费米能级低于未掺杂时。

4. 漂移运动与扩散运动

现在，我们姑且可以认为 P 型半导体是有很多可自由移动的空穴的半导体，N 型半导体是有很多可以自由移动的电子的半导体。当 N 型半导体与 P 型半导体接触时，P 型、N 型半导体由于分别含有较高浓度的“空穴”和自由电子，存在浓度梯度，又因为导带的电子、价带的空穴可以自由移动，所以二者之间将产生扩散运动。扩散的自由电子和空穴相互结合，使得原有的 N 型半导体的自由电子浓度减少，带正电，同时原有P型半导体的空穴浓度也减少，带负电。在两种半导体中间位置形成一个耗尽区，这个位置，电子和空穴由于扩散和复合而被耗尽。同时，因为 N 型半导体失去电子带正电，P 型半导体失去空穴带负电，耗尽区形成了由 N 型半导体指向 P 型半导体的电场，成为“内电场”， 这个电场阻止N区的电子继续向P区移动，或P区的空穴向N区移动。
如图（圆点是电子，圆圈是空穴）浓度差使空穴从左向右运动，电子从右向左运动；内建电场使空穴从右向左运动，电子从左向右运动。两中作用最终达到平衡，在耗尽区形成内电场。