1.1 PN结

半导体二极管又称晶体二极管或二极管（Diode），由PN结外加引线封装构成，具有重量轻、体积小、寿命长等优点。二极管给我们的科学、文化、生活带来了很大进步。了解半导体器件、掌握它的特性和工作原理，对学习模拟电子技术非常重要。本单元通过对二极管的检测和使用来探讨它的基本原理。

物质按其导电能力的不同，可分为导体（如金、银、铝、铜）、绝缘体（如塑料、橡胶、陶瓷等）和导电能力介于导体和绝缘体之间的半导体。半导体材料很多，常用的有硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（Ga As）等。

1.本征半导体

硅、锗等半导体材料内部原子排列是有规律的晶体结构。本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。图1-1（a）所示为本征半导体结构图，它的价电子是以共价键的形式结合在一起，共价键有较强的束缚力。在常温下，本征半导体导电能力很弱。但是随着温度的升高或光线的照射增强后，价电子获得足够能量，就能摆脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键上留下一个空位称为空穴。在外电场或其他能量的作用下，临近的价电子填补到这个空穴，这个电子原来的位置又留下空穴，其他电子再次移动到新的空位，再留下空穴，就把这种失去一个电子留下的空穴看成是参与导电的、带正电的载流子。这种现象叫作本征激发，形成成对的自由电子和空穴，如图1-1（b）所示。

由此可见，在本征半导体中存在着两种载流子参与导电：带负电的自由电子和带正电的空穴，它们是成对产生的，故它们的浓度是相等的。自由电子和空穴在运动中相遇时会重新结合而成对消失，这种现象称为复合。温度一定时，自由电子和空穴的产生与复合将达到动态平衡，这时自由电子和空穴的浓度一定。在常温下，自由电子-空穴对的数量很少，故本征半导体导电能力差。本征半导体的导电性会随外界条件的不同发生明显的变化。如温度升高或光照的增强，自由电子-空穴对增加，导电能力提高。

（1）光敏特性

对半导体施加光线照射时，通常光照越强，载流子越多，导电能力越强。

光敏检测元件如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和太阳能电池等，就是利用半导体的光敏特性。

（2）热敏特性

半导体的导电能力受温度影响很大。当环境温度升高时，导电能力显著增强。例如，锗温度每升高10℃，它的电阻率将减少到原来的一半左右，即导电能力增加一倍左右。

利用热敏特性，可以制成自动控制中常用的热敏电阻及其他热敏元件。

（3）掺杂特性

加入杂质元素可以增加本征半导体的导电能力。在纯净的半导体中掺杂微量的三价或五价元素（如硼、磷），它的导电能力将大大增加。例如，在纯硅中掺入一亿分之一的硼元素，其导电能力可以增加两万倍以上。

利用掺杂特性可以制造出晶体二极管、晶闸管、晶体三极管、场效应管等半导体器件。

2.杂质半导体

在本征半导体中掺入某种微量的杂质元素就变成杂质半导体。按照掺杂元素的不同，可分为N型和P型两种掺杂半导体，控制掺杂元素的浓度可以控制杂质半导体的导电能力。

（1）N型（电子型）半导体

在本征半导体中，掺杂五价元素（磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等）就形成了N型半导体。

如在纯净的硅中掺入微量的五价元素磷（P）。掺入的磷原子取代了硅原子的位置，它同相邻的4个硅原子组成共价键时，多出的一个电子受共价键的束缚很弱。在常温下，多出的一个电子所获得的热能量就能摆脱原子核的束缚成为可以导电的自由电子。磷原子因为失去一个电子称为正离子，如图1-2（a）所示。由于释放电子又称为施主原子，因在晶格上失去电子，杂质原子成为不能移动带正电的离子，这种释放过程称为电离，杂质原子电离后产生一个自由电子和一个正离子。

一般情况下，掺入杂质原子越多，产生的自由电子和正离子也越多。此外，有少量由于本征激发产生的自由电子-空穴存在，受温度影响很大。大量自由电子的存在增加了空穴复合的概率。N型半导体自由电子数量远大于空穴数量，空穴成为少数载流子（简称少子），自由电子成为多数载流子（简称多子）。

（2）P型（空穴型）半导体

同理，在本征半导体中，掺杂三价元素（硼（B）、镓（Ga）、铟（In）等）就形成了P型半导体。例如，在本征半导体硅中掺入微量的三价元素硼（B），掺入的硼原子取代了硅原子的位置，它同相邻的4个硅原子所组成的共价键中，因缺少一个电子而形成一个空穴。在室温下，价电子由于热运动将填补空穴，杂质原子吸收自由电子带负电，由于受到晶格束缚，变成不能移动的负离子。由于杂质原子的空穴吸收自由电子，又称为受主原子，如图1-2（b）所示。

在P型半导体中，同样存在本征激发，因此空穴为多子，而自由电子为少子。P型半导体以空穴导电为主。

杂质半导体在常温下已经电离，载流子浓度大为增强，导电能力也显著提高。需要指出的是，虽然N型半导体与P型半导体中含有不同类型的载流子，但是整个半导体中正、负电荷量总是相等的，仍然呈电中性。图1-3所示为N型半导体和P型半导体载流子和杂质离子的示意图。

综上所述，在杂质半导体中，多子浓度主要取决于杂质的浓度；少子的浓度主要与本征激发有关，温度或者光照对它影响很大。

3.PN结的形成

采用特定的半导体制造工艺，如合金法或平面扩散法在本征半导体晶片上掺入杂质，分别形成P型和N型半导体，并在两种半导体的交界处形成了PN结。

（1）多子的扩散运动

当N型和P型半导体结合在一起时，在交界处，两种载流子浓度相差很大，P区的多子空穴必然向N区扩散，N区的多子自由电子也会向P区扩散，这种载流子由浓度差产生的运动称为多子的扩散运动。扩散到P区的自由电子与空穴复合，扩散到N区的空穴与电子复合，在交界附近，载流子由于大量复合，浓度降低。P区出现不能移动的负离子区，N区出现不能移动的正离子区，称为空间电荷区，如图1-4所示。

（2）内电场的形成

空间电荷区一侧带负电，另一侧带正电，形成内电场，也称为势垒电压。随着空间电荷区逐渐加宽，内电场增强，其方向由N区指向P区，内电场的方向阻碍多子的扩散运动，所以空间电荷区又称之为阻挡层或者势垒区。因空间电荷区内可以运动的载流子已经耗尽，也称为耗尽层。

（3）少子的漂移运动

在内电场的作用下，P区的自由电子向N区运动，N区的空穴向P区运动。载流子在内电场作用下的运动称为漂移运动。在交界处，扩散运动和漂移运动同时进行，当两者运动相等时，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移的少子数目，从而达到动态平衡，形成稳定的空间电荷区，称为PN结。可见在无外电场或其他电场的激发下，PN结没有电流流过。

4.PN结的单向导电性

当PN结两边的半导体施加不同极性的电压时，其导电性能差异很大。

通常将加在PN结上的电压称为偏置电压。若PN结外加正向电压（指P区接高电位，N区接低电位）称为正向偏置，简称正偏。如图1-5（a）所示中外加正向电压UF，外电场和内电场方向相反，削弱内电场，空间电荷区变窄。在外加电源的作用下，扩散运动加强，形成较大的正向电流IF，PN结呈低阻导通状态。PN结正向导通时候，结电压很小，只有零点几伏。为了防止PN结因电流过大烧坏，回路中要串入限流电阻R。

若PN结外加反向电压UR（指P区接低电位，N区接高电位）称为反向偏置，简称反偏，如图1-5（b）所示，此时外电场和内电场方向相同，空间电荷区变宽。此时外电场阻碍了多子的扩散运动，有利于少子漂移运动。由于少子是由本征激发形成，数量很少，所以形成反向电流IR很小。当温度不变时，少子浓度基本不变，IR不随UR变化，IR又称反向饱和电流IS，电流很小但受温度影响很大。反向偏置时，PN结呈高阻截止状态。

由上述可知，PN结正偏时呈导通状态，反偏时呈截止状态，相当于一个开关。这就是PN结的单向导电性。

当PN结受到外电压作用时，在近交界面两边积聚的电荷量随之变化，相当于电容充放电，称为结电容。PN结结电容值都较小，一般为几皮法至几十皮法，对低频影响不大，但高频时，就必须考虑结电容的影响。