第1章 二極管及應(yīng)用電路

1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

1.1.1 半導(dǎo)體特性

在自然界中，物體根據(jù)導(dǎo)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(dǎo)體，如鋼、銀、鋁及鐵等；電阻率在10-3～108Ω·cm左右的稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵及大多數(shù)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(dǎo)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(dǎo)體器件，如二極管、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。

1.1.2 PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦?/p>

1. 共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

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(jià)元素。最外層原子軌道上具有4個(gè)電子，稱為價(jià)電子。每個(gè)原子的4個(gè)價(jià)電子不僅受自身原子核的束縛，圍繞自身的原子核運(yùn)動(dòng)；而且與周圍相鄰的4個(gè)原子發(fā)生聯(lián)系，也時(shí)常出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上，相鄰的原子就被共有的價(jià)電子聯(lián)系在一起，稱為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

2. 本征半導(dǎo)體

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

一旦出現(xiàn)空穴，附近共價(jià)鍵中的電子就比較容易地填補(bǔ)進(jìn)來(lái)，而在這個(gè)價(jià)電子原來(lái)的位置上出現(xiàn)一個(gè)新空位，其他價(jià)電子又可轉(zhuǎn)移到這個(gè)新的空位上。這樣不斷地填補(bǔ)，相當(dāng)于空穴在運(yùn)動(dòng)一樣。為了和自由電子的運(yùn)動(dòng)區(qū)別開(kāi)來(lái)，把這種價(jià)電子的填補(bǔ)運(yùn)動(dòng)稱為空穴運(yùn)動(dòng)。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(hào)相反。由此可見(jiàn)，本征半導(dǎo)體中存在兩種載流子：電子和空穴。本征半導(dǎo)體在外電場(chǎng)作用下，兩種載流子的運(yùn)動(dòng)方向相反而形成的電流方向相同。

在本征半導(dǎo)體中，自由電子與空穴是同時(shí)產(chǎn)生、數(shù)目相等的。自由電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中若與空穴相遇，則會(huì)填補(bǔ)空穴，消失一個(gè)電子—空穴對(duì)，這個(gè)過(guò)程叫作復(fù)合。在一定溫度下，產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)和復(fù)合的電子—空穴對(duì)數(shù)量相等，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，使電子—空穴對(duì)維持一定的數(shù)目。導(dǎo)體中只有自由電子，而半導(dǎo)體中存自由電子和空穴兩種載流子，這也是導(dǎo)體與半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的不同之處。

3. P型半導(dǎo)體

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

4. N型半導(dǎo)體

如在本征半導(dǎo)體（鍺或硅）中摻入5價(jià)元素磷，由于磷原子中有5個(gè)價(jià)電子，它與4個(gè)鍺或硅原子的價(jià)電子組成共價(jià)鍵后，留下一個(gè)剩余電子，N型半導(dǎo)體如圖1-4所示。這個(gè)電子不受共價(jià)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(fā)為自由電子，同時(shí)雜質(zhì)原子變成帶正電荷的離子。因此在這種半導(dǎo)體中，自由電子數(shù)遠(yuǎn)大于空穴數(shù)。這種半導(dǎo)體主要靠電子導(dǎo)電，故稱為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。

5. PN結(jié)的形成

無(wú)論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，當(dāng)它們獨(dú)立存在時(shí)，都是呈電中性的。PN結(jié)的形成示意圖如圖1-5所示。當(dāng)將兩種半導(dǎo)體材料連接在一起時(shí)，由于兩側(cè)的電子和空穴的濃度相差很大，因此它們會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，濃度高的向濃度低的地方擴(kuò)散，即電子從N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，空穴從P向N區(qū)擴(kuò)散。擴(kuò)散到P區(qū)的電子會(huì)與空穴復(fù)合而消失，擴(kuò)散到N區(qū)的空穴也會(huì)與電子復(fù)合而消失。復(fù)合的結(jié)果在交界處兩側(cè)出現(xiàn)了不能移動(dòng)的正負(fù)兩種雜質(zhì)離子組成的空間電荷區(qū)，這個(gè)空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在交界處左側(cè)出現(xiàn)了負(fù)離子區(qū)，在右側(cè)出現(xiàn)了正離子區(qū)，形成了一個(gè)由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)（又稱為勢(shì)壘電場(chǎng)）。內(nèi)電場(chǎng)的產(chǎn)生對(duì)P區(qū)和N區(qū)中的多數(shù)載流子的相互擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻礙作用。同時(shí)，在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，P區(qū)中的少數(shù)載流子電子和N區(qū)中的少數(shù)載流子空穴則會(huì)越過(guò)交界面向?qū)Ψ絽^(qū)域運(yùn)動(dòng)，這種在內(nèi)電場(chǎng)的作用下少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)重新變窄，削弱了內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度。多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，使PN結(jié)的寬度一定。

6. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕醇诱螂妷海≒區(qū)接正，N區(qū)接負(fù)）導(dǎo)通，加反向電壓（P區(qū)接正，N區(qū)接負(fù)）截止，PN結(jié)的單向?qū)щ娦匀鐖D1-6所示。加上正向電壓時(shí)，由于外加電壓產(chǎn)生的外電場(chǎng)與PN結(jié)產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)，使PN結(jié)變窄，有利于兩區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散，形成正向電流IF，此時(shí)PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)。加上反向電壓時(shí)，外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向一致，因而加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，使PN結(jié)變寬，阻礙了多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。兩區(qū)的少數(shù)載流子在回路中形成極小的反向電流IR，則稱PN結(jié)反向截止，這時(shí)PN結(jié)呈高阻狀態(tài)。