戎靄倫

半導(dǎo)體，由于它具有與導(dǎo)體(電導(dǎo)率：105－106歐姆－1厘米－1)和非導(dǎo)體(電導(dǎo)率：10－15－10－10歐姆－1厘米－1)不同的“性格”因此在國防、通訊、自動(dòng)化等方面開辟了新的廣泛的用途，期待著更深入的探索。

常用的半導(dǎo)體材料有鍺(Ge)、硅(Si)、及金屬的氧化物、硫化物、金屬間化合物等等。

一、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)的一般介紹

(一)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)

在單個(gè)原子中，電子不停地繞核運(yùn)動(dòng)，其中最活潑的，是外圍電子，稱作價(jià)電子。在絕對(duì)零度時(shí)，這些電子在原子中受到原子核的束縛力而有一定的分布。這時(shí)，整個(gè)原子具有一定的能量狀態(tài)，稱作正常態(tài)或基態(tài)，如圖1。當(dāng)溫度增加時(shí)(或其他條件)，價(jià)電子受到外界刺激在一定程度上克服原子核的作用力而重新分布。這時(shí)，整個(gè)原子的能量發(fā)生變化，而具有較高的能量狀態(tài)，稱激發(fā)態(tài)。因此，原子的能態(tài)是隨著電子分布狀態(tài)的變化而變化的。這種變化可以用能級(jí)圖來表示。能級(jí)可以用階梯來比喻。在絕對(duì)零度時(shí)，價(jià)電子處于階梯最下層，原子處于基態(tài)能級(jí)。當(dāng)外界條件變化，電子吸收能量由階梯的最下層，跳到上一層時(shí)，原子處于激發(fā)態(tài)能級(jí)。

圖1

當(dāng)相當(dāng)多的原子(例如硅)結(jié)合而成半導(dǎo)體時(shí)，由于各原子核電場(chǎng)的相互作用，使每個(gè)原子都給出它外圍的價(jià)電子而形成共價(jià)鍵(如圖2)。硅晶體是具有四重方向的共價(jià)鍵。在絕對(duì)零度時(shí)，既無過多的電子，又無因缺少電子而剩下的空位(稱空穴)。鍵中的電子都牢固地被束縛在原子上，不能自由行動(dòng)。因此，在絕對(duì)零度時(shí)，半導(dǎo)體具有非導(dǎo)體的性質(zhì)。從能級(jí)觀點(diǎn)來看，當(dāng)原子結(jié)合成半導(dǎo)體時(shí)，原子中的價(jià)電子由于受到周圍原子的影響，產(chǎn)生能量的變化，使原子的基態(tài)能級(jí)分裂成一系列相距極近的能級(jí)，這可看作是連續(xù)的，因而稱作能帶(圖2)。在絕對(duì)零度時(shí)這能帶被電子充滿，所以稱作滿帶。同理原子激發(fā)態(tài)能級(jí)也分裂成一系列相距極近的能級(jí)，而形成能帶在絕對(duì)零度時(shí)，沒有電子填入，稱作導(dǎo)帶。滿帶與導(dǎo)帶之間的區(qū)域，因沒有電子存在，稱作禁帶。兩帶間的能量差值，稱禁帶寬度。在此情況下，若有外電場(chǎng)作用于半導(dǎo)體，也只能使電子們?cè)跐M帶中相互更換所占據(jù)的能級(jí)，而不能越過禁帶到達(dá)導(dǎo)帶成為自由電子。

圖2

當(dāng)外界條件刺激時(shí)(例如溫度增加，或強(qiáng)光照射)，滿帶中的電子吸收能量從滿帶躍遷到導(dǎo)帶中成為自由電子。那么：

(1)自由電子可以在外電場(chǎng)的作用下，沿電場(chǎng)相反的方向運(yùn)動(dòng)如圖3，而形成電子導(dǎo)電現(xiàn)象。

圖中1號(hào)電子因受光的激發(fā)而成自由電子，沿電場(chǎng)的反方向運(yùn)動(dòng)。

2號(hào)電子去填充1號(hào)電子留下的空穴，而形成空穴沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)。

圖中1號(hào)電子因受光的激發(fā)而成自由電子，沿電場(chǎng)的反方向運(yùn)動(dòng)。

2號(hào)電子去填充1號(hào)電子留下的空穴，而形成空穴沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)。

圖3

(2)電子跑掉后，剩下了自由能級(jí)(或空穴)，那么它周圍的電子在電場(chǎng)力作用下來填充這個(gè)空穴，這樣一個(gè)個(gè)電子像“接力賽”似地陸續(xù)填充的結(jié)果，就形成空穴沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，這稱空穴導(dǎo)電。

在半導(dǎo)體中，總電流是這兩種混合導(dǎo)電的結(jié)果，這種導(dǎo)電稱本征導(dǎo)電。

由此可知，要使半導(dǎo)體導(dǎo)電，首先要使?jié)M帶中的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中去。這個(gè)過程稱作“激活”。激活后的電子或空穴稱作載流子。因他們?cè)谕怆妶?chǎng)的作用下可以參與導(dǎo)電，所以半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能取決于：

(1)禁帶寬度。(即被激活的難易程度，寬度越大，越難被激活)。

(2)外界條件(溫度……或其他)。(激活的載流子愈多則導(dǎo)電性能越強(qiáng))。

利用條件(2)我們可以通過半導(dǎo)體將熱的變化，光(或其他)的變化轉(zhuǎn)為電流的變化，以應(yīng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的需要。

(二)雜質(zhì)對(duì)于半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響

在半導(dǎo)體中加入少量的雜質(zhì)，那么原來沒有能級(jí)存在的禁帶中就產(chǎn)生了新的附加能級(jí)。如果加入的是高價(jià)元素，那么在共價(jià)鍵形成后還富余電子。這時(shí)新的附加能級(jí)位于禁帶的上緣(圖4)稱作施主能級(jí)。因?yàn)檫@些能級(jí)靠近導(dǎo)帶，只要外界條件稍加刺激，電子即從這里跳到導(dǎo)帶中而形成電子導(dǎo)電。這種半導(dǎo)體是電子型半導(dǎo)體，稱n型半導(dǎo)體。如果加入的是低價(jià)元素，那么在共價(jià)鍵形成后還富余空穴，這時(shí)附加能級(jí)位于禁帶的下緣，稱作受主能級(jí)。因?yàn)樗鼈兛拷鼭M帶，當(dāng)外界條件稍加刺激，滿帶中的電子很容易躍遷到這些空穴中，因而滿帶中富于空穴，而形成空穴導(dǎo)電，這種半導(dǎo)體是空穴型半導(dǎo)體，稱P型半導(dǎo)體。

圖4

因此我們可以用加雜質(zhì)的方法來控制半導(dǎo)體的類型。

二、半導(dǎo)體在航空工業(yè)上的應(yīng)用

(一)在無線電技術(shù)上的應(yīng)用(半導(dǎo)體制成晶體管)

半導(dǎo)體可以制成各種無線電電子機(jī)件以代替真空管，并可在火箭、導(dǎo)彈等不便應(yīng)用真空管的設(shè)備上，開辟得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)略述于下：

1.半導(dǎo)體二極管

如果我們將一小片n型半導(dǎo)體和一小片P型半導(dǎo)體緊密接觸，那么在接觸層電子從n型向P型半導(dǎo)體中遷移，與P型半導(dǎo)體中的空穴結(jié)合，因此P型半導(dǎo)體表面層因缺少正電而帶負(fù)電(如圖5)。同樣，空穴從P型向n型半導(dǎo)體中遷移，與n型半導(dǎo)體中的電子結(jié)合，因此n型半導(dǎo)體表面層中因缺少電子而帶正電。電子及空穴相互遷移的結(jié)果在接觸層形成一電場(chǎng)。這電場(chǎng)阻止電子和空穴繼續(xù)不斷地遷移。因此遷移到一定的時(shí)候就達(dá)到平衡了。我們將此接觸層稱阻擋層。這種P型和n型的結(jié)合稱作P－n結(jié)。

圖5 圖6

如果在P－n結(jié)上加正向電壓，即P型接正極，n型接負(fù)極(圖6)，那么阻擋層的阻擋作用被沖淡，阻擋層變薄，使電子及空穴容易通過，而形成自左向右的電流。因此，我們稱這方向是通流方向。

如果在P－n結(jié)上加反向電壓，即P型接負(fù)極，n型接正極(圖7)。那么阻擋層的阻擋作用加強(qiáng)，阻擋層變厚，使電子及空穴更難遷移。因此電流難以通過，我們稱這方向是阻流方向。

綜合上面兩種情況可知，若將半導(dǎo)體作成很薄的P－n結(jié)，那么就具有一個(gè)方向通流，一個(gè)方向阻流的作用。這種作用我們稱單向?qū)щ娦?，利用這種性質(zhì)就可以作成半導(dǎo)體整流器及檢波器。這種機(jī)件通?？梢允乖诖笮∠嗤恼螂妷汉头聪螂妷旱淖饔孟拢核a(chǎn)生的電流強(qiáng)度相差到幾萬倍，甚至可達(dá)到幾億倍。

利用半導(dǎo)體P－n結(jié)代替真空管作成的整流器或檢波器，不僅它的性能好，而且還具有它獨(dú)特的優(yōu)越性，例如：

圖7

(1)體積小(可以小到只有一粒米那樣大)，重量輕(可以輕到幾毫克)。

(2)用電省(例如它不需要消耗電能來加熱陰極)。

(3)堅(jiān)固耐震，壽命長，造價(jià)低。

在火箭導(dǎo)彈等航空器的各種電子計(jì)算系統(tǒng)中，要用到幾千幾萬個(gè)檢波器。這些檢波器必須是利用半導(dǎo)體制成的。因?yàn)橹挥邪雽?dǎo)體電子機(jī)件才具有上述優(yōu)點(diǎn)，用普通的真空管不僅龐大過重，而且不能耐震，是不能滿足這種嚴(yán)格的要求的。

2.半導(dǎo)體三極管：

半導(dǎo)體三極管是用P－n－P型半導(dǎo)體制成的(或用n－P－n型半導(dǎo)體制成)，(圖8)第一個(gè)P－n結(jié)，我們稱發(fā)射結(jié)，原因是當(dāng)我們加正向電壓在這個(gè)結(jié)上時(shí)，那么就促使空穴由P向n遷移，因而形成載流子的發(fā)射。所以稱發(fā)射結(jié)。發(fā)射結(jié)電路稱發(fā)射結(jié)回路。

圖8

第二個(gè)n－P結(jié)我們稱收集結(jié)。原因是它可以收集載流子。例如當(dāng)發(fā)射結(jié)“發(fā)射出”的空穴，在n型半導(dǎo)體中擴(kuò)散時(shí)，如果n層很薄，那么空穴在來不及和n中的電子結(jié)合時(shí)就到達(dá)n－P結(jié)。如果在n－P結(jié)上加反向電壓，那么來到的空穴就很快地被拉入到最后的P型半導(dǎo)體中，因而形成在收集結(jié)電路中的電流。

因此，如果將發(fā)射結(jié)和收集結(jié)聯(lián)合起來看，可知收集結(jié)發(fā)射出載流子的多少，可以直接影響收集結(jié)電路中的電流大小。這就是半導(dǎo)體三極管用作放大器的原理。

例如，將要放大的訊號(hào)加在發(fā)射結(jié)回路中，將負(fù)載R加在收集結(jié)回路中，并在P－n結(jié)上加低值正向電壓，在n－P結(jié)上加高值反向電壓，圖9，那么，當(dāng)發(fā)射結(jié)上電壓有變化時(shí)，發(fā)生的載流子數(shù)亦隨之變化，收集結(jié)回路中的電流也相應(yīng)地變化，負(fù)載兩端的電壓亦跟著變化。這樣就使得原來在低電壓的發(fā)射結(jié)電路中所引起的電流變化，直接變成了高電壓的收集結(jié)電路中的電流變化，因而功率得到放大。

圖9

當(dāng)然用n－P－n作成放大器所依據(jù)的原理也是一樣的。

此外半導(dǎo)體亦可作成四極、五極晶體管，用作放大器，振蕩器，混頻器等等?？梢灶A(yù)料晶體管可以在很大的范圍內(nèi)代替真空管。這種電子機(jī)件將在國防上得到廣泛的應(yīng)用。

例如，當(dāng)我們的導(dǎo)彈在偵察和追擊敵機(jī)時(shí)必須有：

(1)利用雷達(dá)來報(bào)導(dǎo)敵機(jī)目前位置以及以后位置變化的情報(bào)系統(tǒng)；

(2)根據(jù)送來情報(bào)，自動(dòng)控制導(dǎo)彈的運(yùn)行以便跟蹤追擊的計(jì)算系統(tǒng)；

(3)擊毀敵機(jī)的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等等。

所有這些系統(tǒng)中都少不掉一個(gè)基本的組成部分，這就是晶體管。(未完、待續(xù))