半导体二极管

半导体的基础知识

半导体器件的材料主要是硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）等，硅的使用较为广泛。

本征半导体(经过加工处理)

所谓本征半导体是指完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体，一般是指其导电能力主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。硅、锗都是四价元素，其原子核最外层有四个价电子。它们的晶体为共价键结构，如图所示。

本征半导体中的两种载流子：

自由电子
空穴

自由电子：由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子。

空穴：自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴。

运载电荷的粒子称为载流子。

外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。

杂质半导体

为了提高半导体的导电能力，可在本征半导体中掺入微量杂质元素，掺杂后的半导体称为杂质半导体。按掺入杂质的不同有N型半导体和P型半导体之分。

多数载流子（多子）和少数载流子（少子）

对于杂质半导体,N型半导体中的电子和P型半导体中的空穴称为多数载流子(简称多子),而N型半导体中的空穴和P型半导体中的电子称为少数载流子(简称少子)。

杂质半导体的导电性能主要取决于多子浓度，多子浓度主要取决于掺杂浓度，其值较大并且稳定，因此导电性能得到显著改善。

PN结的形成

为了采用特定的制造工艺，在同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半导体。由于P型和N型半导体交界面两侧的两种载流子浓度有很大的差异，因此会产生载流子从高浓度区向低浓度区的运动，这种运动称为扩散，如图所示。

由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。

参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。

PN结的特性

PN结的单向导电性

（1）PN结外加正向电压

通常我们将外加在PN结上的电压称为偏置电压。如果PN结的P区电位高于N区电位，称为正向偏置，简称正偏。

当PN结正偏时，外加电场与内电场方向相反，使空间电荷区变窄，所以多子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流，其方向由P区流向N区，称为正向电流IF。

在一定范围内，外加正向电压UF越大，正向电流IF越大，PN结呈低阻导通状态。在PN结作开关使用时，相当于开关的闭合。

（2）PN结外加反向电压

如果PN结的P区电位低于N区电位，称为反向偏置，简称反偏。

当PN结反偏时，外加电场与内电场方向相同，使空间电荷区变宽，所以多子的扩散运动受到抑制，这时流过PN结的电流，主要是少子形成的漂移电流，其方向由N区流向P区，称为反向电流IR。

当温度一定时，少数载流子的浓度不变，因此IR的大小几乎不随外加电压而变化。所以，又称为反向饱和电流。

在常温下，反向饱和电流很小，一般可以忽略。此时PN结呈高阻截止状态，相当于开关的断开，如图下所示。

二极管的伏安特性

（1）正向特性

当外加正向电压小于 $U_{th}$ 时，外电场不足以克服PN结的内电场对多子扩散运动造成的阻力，正向电流几乎为零，二极管呈现为一个大电阻，好像有一个门坎，因此将电压 $U_{th}$ 称为门坎电压（又称死区电压），在室温下硅管 $U_{th}\approx$ 0.5V，锗管 $U_{th}\approx$ 0.1V。