1.4 【知识链接】 半导体二极管

1.4.1 半导体的基础知识

自然界的物质，按导电能力的不同，可分为导体、绝缘体和半导体三大类。通常将电阻率小于10-4 Ω/cm的物质称为导体，例如，金、银、铜、铁等金属都是良好的导体。电阻率大于109 Ω/cm的物质称为绝缘体，例如，橡胶、塑料等。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。

1. 半导体

常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等，如图1.17所示为半导体原子结构简化模型图。半导体从它被发现以来就得到越来越广泛的应用，究其原因是因为半导体具有三大与众不同的特性。

（1）半导体的特性。

① 热敏特性。当温度升高时，半导体的导电性会得到明显的改善，温度越高，导电能力就越好。利用这一特性，可以制成热敏电阻和热敏元件。

② 光敏特性。半导体受到光的照射，会显著地影响其导电性，光照越强，导电能力越强。利用这一特性可以制成光敏传感器、光电控制开关及火灾报警装置。

③ 掺杂特性。在纯度很高的半导体（又称为本征半导体）中掺入很微量的某种杂质元素（杂质原子是均匀地分布在半导体原子之间），也会使其导电性显著地增加，掺杂的浓度越高，导电性也就越强。利用这一特性可以制造出各种晶体管和集成电路等半导体器件。

（2）本征半导体。我们把纯度很高、晶体结构完整的半导体称为本征半导体。本征半导体导电能力较弱。如图1.18所示为本征半导体结构图。

（3）杂质半导体。如果在本征半导体中掺入微量的杂质，其导电能力会显著变化。根据掺入杂质的不同，可以分为P型半导体和N型半导体。

① P型半导体。在本征半导体硅中掺入微量的三价元素硼（B），就形成P型半导体，如图1.19（a）所示为P型半导体晶体结构图，图1.19（b）图为P型半导体示意图。

P型半导体中空穴的浓度比电子的浓度高得多，当在它两端加电压时，空穴周围的电子填充原来的空穴，形成新的空穴，好像空穴定向流动一样，形成电流。

② N型半导体。在本征半导体中掺入微量的五价元素磷（P）就形成N型半导体，如图1.20所示为N型半导体结构图。N型半导体中电子的浓度比空穴的浓度高得多。当在它两端加电压时，主要由电子定向流动形成电流。

3. PN结及其单向导电性

（1）PN结的形成。如图1.21所示。由于P型半导体和N型半导体交界面两侧存在载流子浓度差，P区中的多数载流子（空穴）就要向N区扩散。同样，N区的多数载流子（电子）也向P区扩散。在扩散中，由于部分电子与空穴复合消失，因此在交界面上，靠N区一侧就留下不可移动的正电荷离子，而靠P区一侧就留下不可移动的负电荷离子，从而形成空间电荷区。在空间电荷区产生一个从N区指向P区的内电场（自建电场）。

随着扩散的进行，内电场不断增强，内电场的加强又反过来阻碍扩散运动，但却使P区的少数载流子电子向N区漂移，N区的少数载流子空穴向P区漂移，当扩散和漂移达到动态平衡时，即扩散运动的载流子数等于漂移运动的载流子数时，就形成一定厚度的空间电荷区，称其为PN结。在这个空间电荷区内，能移动的载流子极少，故又称为耗尽层或阻挡层。

（2）PN结的单向导电性。当PN结外加正向电压（称为正向偏置）时，就是电源正极接P区，负极接N区，如图1.22（a）所示，这时回路有较大的正向电流，PN结处于正向导通状态。

当PN结外加反向电压（称为反向偏置）时，就是将电源的正极接N区，负极接P区，如图1.22（b）所示，这时回路有较弱的反向电流，PN结处于几乎不导电的截止状态。

综上所述，PN结就像一个阀门，正向偏置时，电流很大，电阻较小，PN结处于正向导通状态，反向偏置时，电流几乎为零，电阻很大，PN处于截止状态。这种特性就是PN结的单向导电性。