1.4 【知識鏈接】 半導體二極管

1.4.1 半導體的基礎知識

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

1. 半導體

常用的半導體材料有硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）等，如圖1.17所示為半導體原子結構簡化模型圖。半導體從它被發現以來就得到越來越廣泛的應用，究其原因是因為半導體具有三大與眾不同的特性。

（1）半導體的特性。

① 熱敏特性。當溫度升高時，半導體的導電性會得到明顯的改善，溫度越高，導電能力就越好。利用這一特性，可以制成熱敏電阻和熱敏元件。

② 光敏特性。半導體受到光的照射，會顯著地影響其導電性，光照越強，導電能力越強。利用這一特性可以制成光敏傳感器、光電控制開關及火災報警裝置。

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

（2）本征半導體。我們把純度很高、晶體結構完整的半導體稱為本征半導體。本征半導體導電能力較弱。如圖1.18所示為本征半導體結構圖。

（3）雜質半導體。如果在本征半導體中摻入微量的雜質，其導電能力會顯著變化。根據摻入雜質的不同，可以分為P型半導體和N型半導體。

① P型半導體。在本征半導體硅中摻入微量的三價元素硼（B），就形成P型半導體，如圖1.19（a）所示為P型半導體晶體結構圖，圖1.19（b）圖為P型半導體示意圖。

P型半導體中空穴的濃度比電子的濃度高得多，當在它兩端加電壓時，空穴周圍的電子填充原來的空穴，形成新的空穴，好像空穴定向流動一樣，形成電流。

② N型半導體。在本征半導體中摻入微量的五價元素磷（P）就形成N型半導體，如圖1.20所示為N型半導體結構圖。N型半導體中電子的濃度比空穴的濃度高得多。當在它兩端加電壓時，主要由電子定向流動形成電流。

3. PN結及其單向導電性

（1）PN結的形成。如圖1.21所示。由于P型半導體和N型半導體交界面兩側存在載流子濃度差，P區中的多數載流子（空穴）就要向N區擴散。同樣，N區的多數載流子（電子）也向P區擴散。在擴散中，由于部分電子與空穴復合消失，因此在交界面上，靠N區一側就留下不可移動的正電荷離子，而靠P區一側就留下不可移動的負電荷離子，從而形成空間電荷區。在空間電荷區產生一個從N區指向P區的內電場（自建電場）。

隨著擴散的進行，內電場不斷增強，內電場的加強又反過來阻礙擴散運動，但卻使P區的少數載流子電子向N區漂移，N區的少數載流子空穴向P區漂移，當擴散和漂移達到動態平衡時，即擴散運動的載流子數等于漂移運動的載流子數時，就形成一定厚度的空間電荷區，稱其為PN結。在這個空間電荷區內，能移動的載流子極少，故又稱為耗盡層或阻擋層。

（2）PN結的單向導電性。當PN結外加正向電壓（稱為正向偏置）時，就是電源正極接P區，負極接N區，如圖1.22（a）所示，這時回路有較大的正向電流，PN結處于正向導通狀態。

當PN結外加反向電壓（稱為反向偏置）時，就是將電源的正極接N區，負極接P區，如圖1.22（b）所示，這時回路有較弱的反向電流，PN結處于幾乎不導電的截止狀態。

綜上所述，PN結就像一個閥門，正向偏置時，電流很大，電阻較小，PN結處于正向導通狀態，反向偏置時，電流幾乎為零，電阻很大，PN處于截止狀態。這種特性就是PN結的單向導電性。