导电能力介于导体和绝缘体之间的物体称为半导体。常见的半导体材料包括硅或锗,这两种材料都是晶体。它们是广泛用于制造计算机处理器、二极管及三极管的材料。 半导体由于自身的原子结构、化合价或外层电子的不同,其导电能力也不相同。如果将含有4个价电子的硅和锗(图9-1)用于固态装置中,并将其与1个价电子的最佳导体或8个全价电子层的最佳绝缘体进行比较,纯正形态的硅和锗实际上是不良导体,这归因于其晶体结构,如图9-2所示。
在晶体结构中,任何原子的四个价电子共享四个相邻的原子。因此,在其价电子层上每个原子几乎都拥有8个电子,充满每个原子的价电子层,并且很难释放一个可使电流流动的电子。在这种自然状态下,这些电子不能用于传导电流。
在半导体中掺入一定的杂质后可以改变其拥有自由电子的数量,使半导体变为导体根据所添加杂质种类的不同,如果添加杂质后的材料拥有过剩的自由电子,则半导体为负极型或N型;如果拥有不足的自由电子,则为正极型或P型。
将杂质原子中拥有五个价电子的元素砷添加到半导体晶体中时。五个价电子中只有四个适合于晶体结构,第五个电子则成为自由电子,起到载流子的作用,如图9-3所示。由于其包含有额外的电子,利用此方法添加杂质后的晶体称为N型半导体材料。
将杂质原子中只有三个电子的元素镓添加到半导体晶体中时,就会发生电子不足的现象,如图9-4所示。在晶体结构中缺乏一个电子的空穴区域称为带正电荷的粒子,它可以自由地流过晶体。由于空穴的存在,掺杂后的晶体称为P型半导体材料。
如果带正电荷空穴的P型半导体和带负电荷自由电子的N型半导体结合在一起时,就构成了一个PN结图9-5),晶体管就是利用这一特性制成的。
晶体管内有阻隔层,阻隔层是放置在两种物质之间的一种特定薄膜。它主要是用来防止或减缓两种物质之间的内部扩散,并将晶体管表面与环境中的电子和化学作用隔离开,从而使晶体管的工作更加稳定。
