第1章 二极管及应用电路

1.1 半导体基础知识

1.1.1 半导体特性

在自然界中，物体根据导电性能和电阻率的大小分为三类。电阻率在10-6～10-3Ω·cm左右的称为导体，如钢、银、铝及铁等；电阻率在10-3～108Ω·cm左右的称为半导体，如锗、硅、砷化镓及大多数的金属氧化物和金属硫化物；电阻率在108～1020Ω·cm左右的称为绝缘体，如玻璃、橡皮和塑料等。半导体具有热敏特性、光敏特性和掺杂特性。利用光敏性可制成光敏二极管、光敏晶体管及光敏电阻等；利用热敏特性可制成各种热敏电阻；利用掺杂特性可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件，如二极管、晶体管、场效应晶体管等。

1.1.2 PN结的形成及单向导电性

1. 共价键结构

在电子元器件中，用得最多的材料是硅和锗，硅和锗都是4价元素。最外层原子轨道上具有4个电子，称为价电子。每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚，围绕自身的原子核运动；而且与周围相邻的4个原子发生联系，也时常出现在相邻原子所属的轨道上，相邻的原子就被共有的价电子联系在一起，称为共价键结构，硅和锗的共价键结构如图1-1所示。

2. 本征半导体

纯净的半导体称为本征半导体。在温度为零开尔文（相当于-273.15℃）时，每一个原子的外围电子被共价键所束缚，不能自由移动。本征半导体中虽有大量的价电子，但没有自由电子，此时半导体是不导电的。当温度升高或受光照时，半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中束缚得那样紧，价电子从外界获得一定的能量，少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，在共价键中将留下一个空位，称为空穴，本征激发产生电子—空穴对示意图如图1-2所示。原子因失掉价电子而带正电，或者说，空穴带正电。如果有一个电子从共价键中释放出来，就必定留下一个空穴。所以本征半导体中电子和空穴总是成对地出现，称为电子—空穴对。

一旦出现空穴，附近共价键中的电子就比较容易地填补进来，而在这个价电子原来的位置上出现一个新空位，其他价电子又可转移到这个新的空位上。这样不断地填补，相当于空穴在运动一样。为了和自由电子的运动区别开来，把这种价电子的填补运动称为空穴运动。而空穴也可看成一种带正电的载流子，它所带的电荷和电子相等，符号相反。由此可见，本征半导体中存在两种载流子：电子和空穴。本征半导体在外电场作用下，两种载流子的运动方向相反而形成的电流方向相同。

在本征半导体中，自由电子与空穴是同时产生、数目相等的。自由电子在运动过程中若与空穴相遇，则会填补空穴，消失一个电子—空穴对，这个过程叫作复合。在一定温度下，产生的电子—空穴对和复合的电子—空穴对数量相等，达到动态平衡，使电子—空穴对维持一定的数目。导体中只有自由电子，而半导体中存自由电子和空穴两种载流子，这也是导体与半导体导电方式的不同之处。

3. P型半导体

如在本征半导体（锗或硅）中掺入3价元素硼，由于硼的价电子只有3个，它的3个价电子分别与相邻的3个锗或硅原子的价电子组成共价键，因缺少一个价电子，所以很容易吸引相邻锗或硅原子上的价电子而产生空穴，P型半导体如图1-3所示。从而使得半导体中的空穴载流子增多，导电能力增强，这种半导体主要是依靠空穴来导电，故称为空穴型半导体或P型半导体。在P型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。

4. N型半导体

如在本征半导体（锗或硅）中掺入5价元素磷，由于磷原子中有5个价电子，它与4个锗或硅原子的价电子组成共价键后，留下一个剩余电子，N型半导体如图1-4所示。这个电子不受共价键的束缚，只受自身原子核的吸引，且这种束缚比较弱，在室温下就可以被激发为自由电子，同时杂质原子变成带正电荷的离子。因此在这种半导体中，自由电子数远大于空穴数。这种半导体主要靠电子导电，故称为电子型半导体或N型半导体。在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

5. PN结的形成

无论是N型半导体还是P型半导体，当它们独立存在时，都是呈电中性的。PN结的形成示意图如图1-5所示。当将两种半导体材料连接在一起时，由于两侧的电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运动，浓度高的向浓度低的地方扩散，即电子从N区向P区扩散，空穴从P向N区扩散。扩散到P区的电子会与空穴复合而消失，扩散到N区的空穴也会与电子复合而消失。复合的结果在交界处两侧出现了不能移动的正负两种杂质离子组成的空间电荷区，这个空间电荷区称为PN结。在交界处左侧出现了负离子区，在右侧出现了正离子区，形成了一个由N区指向P区的内电场（又称为势垒电场）。内电场的产生对P区和N区中的多数载流子的相互扩散运动起阻碍作用。同时，在内电场的作用下，P区中的少数载流子电子和N区中的少数载流子空穴则会越过交界面向对方区域运动，这种在内电场的作用下少数载流子的运动称为漂移运动。漂移运动使空间电荷区重新变窄，削弱了内电场强度。多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动最终达到动态平衡，使PN结的宽度一定。

6. PN结的单向导电性

PN结具有单向导电性，即加正向电压（P区接正，N区接负）导通，加反向电压（P区接正，N区接负）截止，PN结的单向导电性如图1-6所示。加上正向电压时，由于外加电压产生的外电场与PN结产生的内电场方向相反，削弱了内电场，使PN结变窄，有利于两区的多数载流子向对方扩散，形成正向电流IF，此时PN结处于正向导通状态。加上反向电压时，外加电场与内电场方向一致，因而加强了内电场，使PN结变宽，阻碍了多子扩散运动。两区的少数载流子在回路中形成极小的反向电流IR，则称PN结反向截止，这时PN结呈高阻状态。