半导体二极管基础知识解读
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1、 1.1 半导体的基础知识 物体根据导电能力的强弱可分为导体、半导体和绝缘体三大类。凡容易导电的物质（如金、银、铜、铝、铁等金属物质）称为导体；不容易导电的物质（如玻璃、橡胶、塑料、陶瓷等）称为绝缘体；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质（如硅、锗、硒等）称为半导体。半导体之所以得到广泛的应用，是因为它具有热敏性、光敏性、掺杂性等特殊性能。 1.1.1本征半导体 本征半导体是一种纯净的半导体晶体。常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。 半导体硅和锗都是4价元素，其原子结构如图1.1(a),(b)所示。半导体二极管基础知识解读半导体二极管基础知识解读4惯性核价电子Ge32Si14原子核
2、电子轨道价电子(a)(b)(c) 图1.1半导体的原子结构示意图 （a）硅原子；（b）锗原子；（c）简化模型 第一章 半导体二极管 本征半导体晶体结构示意图如图1.2所示。由图1.2可见，各原子间整齐而有规则地排列着，使每个原子的4个价电子不仅受所属原子核的吸引，而且还受相邻4个原子核的吸引，每一个价电子都为相邻原子核所共用，形成了稳定的共价键结构。每个原子核最外层等效有8个价电子，由于价电子不易挣脱原子核束缚而成为自由电子，因此，本征半导体导电能力较差。 但是，如果能从外界获得一定的能量（如光照、温升等），有些价电子就会挣脱共价键的束缚而成为自由电子，在共价键中留下一个空位，称为“空穴”。空
3、穴的出现使相邻原子的价电子离开它所在的共价键来填补这个空穴，同时，这个共价键又产生了一个新的空穴。这个空穴也会被相邻的价电子填补而产生新的空穴，这种电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空穴在运动，并把空穴看成一种带正电荷的载流子。空穴越多，半导体的载流子数目就越多，因此形成的电流就越大。第一章 半导体二极管4共价键44444444价电子图1.2 单晶硅的共价键结构第一章 半导体二极管看看这里看看这里 在本征半导体中，空穴与电子是成对出现的，称为电子空穴对。其自由电子和空穴数目总是相等的。本征半导体在温度升高时产生电子空穴对的现象称为本征激发。温度越高，产生的电子空穴对数目就越多，这就是半导体的热
4、敏性。 在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而导体中只有自由电子这一种载流子，这是半导体与导体的不同之处。 1.1.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质元素，就会使半导体的导电性能发生显著改变。根据掺入杂质元素的性质不同，杂质半导体可分为P型半导体和N型半导体两大类。 1. P型半导体 P型半导体是在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的3价元素（如硼、铟等）而形成的。因杂质原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，缺少1个电子，因此在晶体中便产生一个空穴，当相邻共价键上的电子受热激发获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键因缺少了一个
5、电子，便形成了空穴，使得整个半导体仍呈中性，如图1.3所示。第一章 半导体二极管图1.3 P型半导体的共价键结构第一章 半导体二极管 在P型半导体中，原来的晶体仍会产生电子空穴对，由于杂质的掺入，使得空穴数目远大于自由电子数目，成为多数载流子(简称多子)，而自由电子则为少数载流子(简称少子)。因而P型半导体以空穴导电为主。 2. N型半导体 N型半导体是在本征半导体硅中掺入微量的5价元素（如磷、砷、镓等）而形成的，杂质原子有5个价电子与周围硅原子结合成共价键时，多出1个价电子，这个多余的价电子易成为自由电子，如图1.4所示。 综上所述，在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。因而对半导体
6、掺杂是改变半导体导电性能的有效方法。第一章 半导体二极管4自由电子44454444施主原子 图1.4 N型半导体的共价键结构第一章 半导体二极管 1.1.3 PN结及其单向导电性 1.PN结的形成 在同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半导体，它们的交界面附近会形成一个很薄的空间电荷区，称其为PN结。 PN结的形成过程如图1.5所示。第一章 半导体二极管P区(a)N区(b)PN耗尽层空间电荷区扩散运动方向自建场 图1.5 PN结的形成（a）多子扩散示意图；（b）PN结的形成第一章 半导体二极管 2. PN结的单向导电性 1）PN结正向偏置导通 给PN结加上电压，使电压的正极接P区，负极接N
7、区（即正向连接或正向偏置），如图1.6（a）所示。由于PN结是高阻区，而P区与N区电阻很小，因而外加电压几乎全部落在PN结上。由图可见，外电场将推动P区多子（空穴）向右扩散，与原空间电荷区的负离子中和，推动N区的多子（电子）向左扩散与原空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变薄，打破了原来的动态平衡。同时电源不断地向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，其结果使电路中形成较大的正向电流，由P区流向N区。这时PN结对外呈现较小的阻值，处于正向导通状态。第一章 半导体二极管结变窄PN自建场方向外电场方向正向电流（很大）结变宽PN自建场方向外电场方向反向电流（很小）(a)(b) 图1.6 PN结的单向导电
8、性 （a）正向连接; （b）反向连接第一章 半导体二极管看看这里看看这里 2）PN结反向偏置截止 将PN结按图1.6（b）所示方式连接（称PN结反向偏置）。由图可见，外电场方向与内电场方向一致，它将N区的多子（电子）从PN结附近拉走，将P区的多子（空穴）从PN结附近拉走，使PN结变厚，呈现出很大的阻值，且打破了原来的动态平衡，使漂移运动增强。由于漂移运动是少子运动，因而漂移电流很小；若忽略漂移电流，则可以认为PN结截止。 综上所述，PN结正向偏置时，正向电流很大；PN结反向偏置时，反向电流很小，这就是PN结的单向导电性。 3) PN结的电容效应 (1)势垒电容CT。当PN结的外加电压大小变化时
9、，PN结空间电荷区的宽度也随着变化，即电荷量发生变化。这种电荷量随外加电压的变化所形成的电容效应称为势垒电容。势垒电容通常用CT表示。CT不是一个常数，它随外加电压的变化而变化。利用势垒电容可以制成变容二极管。第一章 半导体二极管 (2)扩散电容CD。扩散电容是PN结在正向偏置时，多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。扩散电容通常用CD表示。 PN结的结电容Cj包含两部分，即Cj=CT+CD。一般情况，PN结正偏时，扩散电容起主要作用，即 Cj=CD;PN结反偏时，势垒电容起主要作用，即 Cj=CT。 2 半导体二极管2.2.1 半导体二极管的结构、符号及类型 1结构符号二极管的结构外形
