1.4 【知識(shí)鏈接】 半導(dǎo)體二極管

1.4.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)

自然界的物質(zhì)，按導(dǎo)電能力的不同，可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三大類。通常將電阻率小于10-4 Ω/cm的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，例如，金、銀、銅、鐵等金屬都是良好的導(dǎo)體。電阻率大于109 Ω/cm的物質(zhì)稱為絕緣體，例如，橡膠、塑料等。導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。

1. 半導(dǎo)體

常用的半導(dǎo)體材料有硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）等，如圖1.17所示為半導(dǎo)體原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型圖。半導(dǎo)體從它被發(fā)現(xiàn)以來就得到越來越廣泛的應(yīng)用，究其原因是因?yàn)榘雽?dǎo)體具有三大與眾不同的特性。

（1）半導(dǎo)體的特性。

① 熱敏特性。當(dāng)溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性會(huì)得到明顯的改善，溫度越高，導(dǎo)電能力就越好。利用這一特性，可以制成熱敏電阻和熱敏元件。

② 光敏特性。半導(dǎo)體受到光的照射，會(huì)顯著地影響其導(dǎo)電性，光照越強(qiáng)，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。利用這一特性可以制成光敏傳感器、光電控制開關(guān)及火災(zāi)報(bào)警裝置。

③ 摻雜特性。在純度很高的半導(dǎo)體（又稱為本征半導(dǎo)體）中摻入很微量的某種雜質(zhì)元素（雜質(zhì)原子是均勻地分布在半導(dǎo)體原子之間），也會(huì)使其導(dǎo)電性顯著地增加，摻雜的濃度越高，導(dǎo)電性也就越強(qiáng)。利用這一特性可以制造出各種晶體管和集成電路等半導(dǎo)體器件。

（2）本征半導(dǎo)體。我們把純度很高、晶體結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力較弱。如圖1.18所示為本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖。

（3）雜質(zhì)半導(dǎo)體。如果在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力會(huì)顯著變化。根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同，可以分為P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。

① P型半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體硅中摻入微量的三價(jià)元素硼（B），就形成P型半導(dǎo)體，如圖1.19（a）所示為P型半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)圖，圖1.19（b）圖為P型半導(dǎo)體示意圖。

P型半導(dǎo)體中空穴的濃度比電子的濃度高得多，當(dāng)在它兩端加電壓時(shí)，空穴周圍的電子填充原來的空穴，形成新的空穴，好像空穴定向流動(dòng)一樣，形成電流。

② N型半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體中摻入微量的五價(jià)元素磷（P）就形成N型半導(dǎo)體，如圖1.20所示為N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖。N型半導(dǎo)體中電子的濃度比空穴的濃度高得多。當(dāng)在它兩端加電壓時(shí)，主要由電子定向流動(dòng)形成電流。

3. PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

（1）PN結(jié)的形成。如圖1.21所示。由于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體交界面兩側(cè)存在載流子濃度差，P區(qū)中的多數(shù)載流子（空穴）就要向N區(qū)擴(kuò)散。同樣，N區(qū)的多數(shù)載流子（電子）也向P區(qū)擴(kuò)散。在擴(kuò)散中，由于部分電子與空穴復(fù)合消失，因此在交界面上，靠N區(qū)一側(cè)就留下不可移動(dòng)的正電荷離子，而靠P區(qū)一側(cè)就留下不可移動(dòng)的負(fù)電荷離子，從而形成空間電荷區(qū)。在空間電荷區(qū)產(chǎn)生一個(gè)從N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)（自建電場(chǎng)）。

隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，內(nèi)電場(chǎng)不斷增強(qiáng)，內(nèi)電場(chǎng)的加強(qiáng)又反過來阻礙擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，但卻使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，當(dāng)擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，即擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)等于漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)時(shí)，就形成一定厚度的空間電荷區(qū)，稱其為PN結(jié)。在這個(gè)空間電荷區(qū)內(nèi)，能移動(dòng)的載流子極少，故又稱為耗盡層或阻擋層。

（2）PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴．?dāng)PN結(jié)外加正向電壓（稱為正向偏置）時(shí)，就是電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)，如圖1.22（a）所示，這時(shí)回路有較大的正向電流，PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)。

當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓（稱為反向偏置）時(shí)，就是將電源的正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)，如圖1.22（b）所示，這時(shí)回路有較弱的反向電流，PN結(jié)處于幾乎不導(dǎo)電的截止?fàn)顟B(tài)。

綜上所述，PN結(jié)就像一個(gè)閥門，正向偏置時(shí)，電流很大，電阻較小，PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)，反向偏置時(shí)，電流幾乎為零，電阻很大，PN處于截止?fàn)顟B(tài)。這種特性就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p>