第1章 二極管及應用電路

1.1 半導體基礎知識

1.1.1 半導體特性

在自然界中，物體根據導電性能和電阻率的大小分為三類。電阻率在10-6～10-3Ω·cm左右的稱為導體，如鋼、銀、鋁及鐵等；電阻率在10-3～108Ω·cm左右的稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵及大多數的金屬氧化物和金屬硫化物；電阻率在108～1020Ω·cm左右的稱為絕緣體，如玻璃、橡皮和塑料等。半導體具有熱敏特性、光敏特性和摻雜特性。利用光敏性可制成光敏二極管、光敏晶體管及光敏電阻等；利用熱敏特性可制成各種熱敏電阻；利用摻雜特性可制成各種不同性能、不同用途的半導體器件，如二極管、晶體管、場效應晶體管等。

1.1.2 PN結的形成及單向導電性

1. 共價鍵結構

在電子元器件中，用得最多的材料是硅和鍺，硅和鍺都是4價元素。最外層原子軌道上具有4個電子，稱為價電子。每個原子的4個價電子不僅受自身原子核的束縛，圍繞自身的原子核運動；而且與周圍相鄰的4個原子發生聯系，也時常出現在相鄰原子所屬的軌道上，相鄰的原子就被共有的價電子聯系在一起，稱為共價鍵結構，硅和鍺的共價鍵結構如圖1-1所示。

2. 本征半導體

純凈的半導體稱為本征半導體。在溫度為零開爾文（相當于-273.15℃）時，每一個原子的外圍電子被共價鍵所束縛，不能自由移動。本征半導體中雖有大量的價電子，但沒有自由電子，此時半導體是不導電的。當溫度升高或受光照時，半導體共價鍵中的價電子并不像絕緣體中束縛得那樣緊，價電子從外界獲得一定的能量，少數價電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子，在共價鍵中將留下一個空位，稱為空穴，本征激發產生電子—空穴對示意圖如圖1-2所示。原子因失掉價電子而帶正電，或者說，空穴帶正電。如果有一個電子從共價鍵中釋放出來，就必定留下一個空穴。所以本征半導體中電子和空穴總是成對地出現，稱為電子—空穴對。

一旦出現空穴，附近共價鍵中的電子就比較容易地填補進來，而在這個價電子原來的位置上出現一個新空位，其他價電子又可轉移到這個新的空位上。這樣不斷地填補，相當于空穴在運動一樣。為了和自由電子的運動區別開來，把這種價電子的填補運動稱為空穴運動。而空穴也可看成一種帶正電的載流子，它所帶的電荷和電子相等，符號相反。由此可見，本征半導體中存在兩種載流子：電子和空穴。本征半導體在外電場作用下，兩種載流子的運動方向相反而形成的電流方向相同。

在本征半導體中，自由電子與空穴是同時產生、數目相等的。自由電子在運動過程中若與空穴相遇，則會填補空穴，消失一個電子—空穴對，這個過程叫作復合。在一定溫度下，產生的電子—空穴對和復合的電子—空穴對數量相等，達到動態平衡，使電子—空穴對維持一定的數目。導體中只有自由電子，而半導體中存自由電子和空穴兩種載流子，這也是導體與半導體導電方式的不同之處。

3. P型半導體

如在本征半導體（鍺或硅）中摻入3價元素硼，由于硼的價電子只有3個，它的3個價電子分別與相鄰的3個鍺或硅原子的價電子組成共價鍵，因缺少一個價電子，所以很容易吸引相鄰鍺或硅原子上的價電子而產生空穴，P型半導體如圖1-3所示。從而使得半導體中的空穴載流子增多，導電能力增強，這種半導體主要是依靠空穴來導電，故稱為空穴型半導體或P型半導體。在P型半導體中，空穴是多數載流子，電子是少數載流子。

4. N型半導體

如在本征半導體（鍺或硅）中摻入5價元素磷，由于磷原子中有5個價電子，它與4個鍺或硅原子的價電子組成共價鍵后，留下一個剩余電子，N型半導體如圖1-4所示。這個電子不受共價鍵的束縛，只受自身原子核的吸引，且這種束縛比較弱，在室溫下就可以被激發為自由電子，同時雜質原子變成帶正電荷的離子。因此在這種半導體中，自由電子數遠大于空穴數。這種半導體主要靠電子導電，故稱為電子型半導體或N型半導體。在N型半導體中，電子是多數載流子，空穴是少數載流子。

5. PN結的形成

無論是N型半導體還是P型半導體，當它們獨立存在時，都是呈電中性的。PN結的形成示意圖如圖1-5所示。當將兩種半導體材料連接在一起時，由于兩側的電子和空穴的濃度相差很大，因此它們會產生擴散運動，濃度高的向濃度低的地方擴散，即電子從N區向P區擴散，空穴從P向N區擴散。擴散到P區的電子會與空穴復合而消失，擴散到N區的空穴也會與電子復合而消失。復合的結果在交界處兩側出現了不能移動的正負兩種雜質離子組成的空間電荷區，這個空間電荷區稱為PN結。在交界處左側出現了負離子區，在右側出現了正離子區，形成了一個由N區指向P區的內電場（又稱為勢壘電場）。內電場的產生對P區和N區中的多數載流子的相互擴散運動起阻礙作用。同時，在內電場的作用下，P區中的少數載流子電子和N區中的少數載流子空穴則會越過交界面向對方區域運動，這種在內電場的作用下少數載流子的運動稱為漂移運動。漂移運動使空間電荷區重新變窄，削弱了內電場強度。多數載流子的擴散運動和少數載流子的漂移運動最終達到動態平衡，使PN結的寬度一定。

6. PN結的單向導電性

PN結具有單向導電性，即加正向電壓（P區接正，N區接負）導通，加反向電壓（P區接正，N區接負）截止，PN結的單向導電性如圖1-6所示。加上正向電壓時，由于外加電壓產生的外電場與PN結產生的內電場方向相反，削弱了內電場，使PN結變窄，有利于兩區的多數載流子向對方擴散，形成正向電流IF，此時PN結處于正向導通狀態。加上反向電壓時，外加電場與內電場方向一致，因而加強了內電場，使PN結變寬，阻礙了多子擴散運動。兩區的少數載流子在回路中形成極小的反向電流IR，則稱PN結反向截止，這時PN結呈高阻狀態。