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1、第一章半导体二极管及其电路分析1.1半导体基础知识1.2PN结1.3半导体二极管1.4二极管应用电路1.1半导体基础知识物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电特性取决于原子结构。导体一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属,其最外层电子受原子核的束缚力很小，因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此，在外电场作用下,这些电子产生定向运动（称为漂移运动）形成电流，呈现出较好的导电特性。高价元素（如惰性气体）和高分子物质（如橡胶、塑料）最外层电子受原子核的束缚力很强,极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子,所以其导电性极差,可作为绝缘材料。半导体材料最外层电子既不像导体那样极易
2、摆脱原子核的束缚，成为自由电子；也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧，因此，半导体的导电特性介于二者之间。半导体可分为本征半导体和杂质半导体。1.1.1本征半导体纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅和锗，它们都是四价元素，在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。为便于讨论，本征半导体的简化原子结构模型如图1-1所示。假设把硅或锗材料拉制成单晶体时，相邻两个原子的一对最外层电子（价电子）成为共有电子，它们一方面围绕自身的原子核运动，另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用，同时还受到相邻原子核的吸引。两个相邻的原子共有一对价电子，组
3、成共价键结构。故晶体中，每个原子都和周围的４个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来，如图1-2所示。图1-1本征半导体简化原子结构模型图1-2本征半导体共价键晶体结构示意图共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量，其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子，同时必然在共价键中留下空位，称为空穴。空穴带正电，如图1-3所示。图1-3本征半导体中的自由电子和空穴由此可见,半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。本征半导体中,自由电子与空穴是同时成对产生的,因此,它们的浓度是相等的。价电子在热运动中获得能量产生了电子-空穴对。同时自由电子在运动过程中失去能量,与空
4、穴相遇,使电子、空穴对消失,这种现象称为复合。在一定温度下,载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的，载流子的浓度是一定的。本征半导体中载流子的浓度，除了与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度有关,而且随着温度的升高,基本上按指数规律增加。因此，半导体载流子浓度对温度十分敏感。此外，半导体载流子浓度还与光照有关，人们正是利用此特性，制成光敏器件。1.1.2杂质半导体1.Ｎ型半导体在本征半导体中,掺入微量５价元素（如磷、锑）,则原来晶格中的某些硅（锗）原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有５个价电子,因此它与周围４个硅（锗）原子组成共价键时,还多余1个价电子。它不受共价键的束
5、缚，而只受自身原子核的束缚，因此它只要得到较少的能量就能成为自由电子，并留下带正电的、不能参与导电的杂质离子，如图1-4所示。显然,这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴浓度，从而主要靠电子导电，所以称为Ｎ型半导体。由于５价杂质原子可提供自由电子，故称为施主杂质。Ｎ型半导体中，自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。图1-4N型半导体共价键结构2.P型半导体在本征半导体中掺入微量３价元素，如硼、镓、铟等,则原来晶格中的某些硅（锗）原子被杂质原子代替。如图1-5所示。图1-5P型半导体的共价键结构1.2ＰＮ结1.2.1异型半导体接触现象图1-6PN结的形成1.2.2ＰＮ结的单向
6、导电特性1.ＰＮ结外加正向电压若将电源的正极接Ｐ区,负极接Ｎ区,则称此为正向接法或正向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相反，削弱了自建场,使阻挡层变窄，如图1-7（a）所示。显然，扩散作用大于漂移作用，在电源作用下，多数载流子向对方区域扩散形成正向电流，其方向由电源正极通过Ｐ区、Ｎ区到达电源负极。此时，ＰＮ结处于导通状态，它所呈现出的电阻为正向电阻，其阻值很小。正向电压愈大，正向电流愈大。其关系是指数关系：式中，ＩＤ为流过ＰＮ结的电流；U为ＰＮ结两端电压；称为温度电压当量，其中k为玻耳兹曼常数，Ｔ为绝对温度，q为电子的电量，在室温下即Ｔ＝３００Ｋ时，ＵＴ＝２６
7、ｍＶ；ＩＳ为反向饱和电流。电路中的电阻Ｒ是为了限制正向电流的大小而接入的限流电阻。图1-7PN结单向导电特性2.ＰＮ结外加反向电压若将电源的正极接Ｎ区，负极接Ｐ区,则称此为反向接法或反向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相同，增强了自建场,使阻挡层变宽，如图1-7（b）所示。此时，漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场作用下作漂移运动，由于其电流方向与正向电压时相反，故称为反向电流。由于反向电流是由少数载流子所形成的，故反向电流很小，而且当外加反向电压超过零点几伏时，少数载流
