5.1 半导体基础知识

半导体器件是电子线路的重要组成部分，PN结是各种半导体器件的基础。本章从半导体材料入手，讨论本征半导体与掺杂半导体的导电特性；研究PN结的机理及特性，从而引出半导体二极管。对二极管的讨论，以外部特性为主。首先论述二极管的主要特性——单向导电性；然后介绍二极管的应用电路——整流电路；最后分析滤波电路和稳压管组成的稳压电路的工作原理、性能指标等内容。

5.1  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。因此在外电场的作用下，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。而半导体材料最外层电子既不像导体那样极易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。

5.1.1  本征半导体

单晶体中的价电子受到所属原子核和共价键的束缚，不能自由移动。在绝对温度下，本征半导体是个绝缘体。在一定温度下（倒如室温下）或光的照射下，少量价电子受热激发而获得足够的能量挣脱了束缚，成为可以在单晶体中自由移动的电子，称为自由电子；与此同时，原来的共价键中就留下了一个空位，称为空穴，呈正电性（如图5-3所示）。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。用n和p分别表示电子和空穴的浓度，即n_i=p_i，下标i表示为本征半导体。

图5-2  本征半导体共价键晶体结构示意图               图5-3  空穴和自由电子

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，载流子的浓度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。对于硅材料，大约温度每升高8℃，本征载流子浓度n_i增加1倍；对于锗材料，大约温度每升高12℃，n_i增加1倍。除此之外，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。

5.1.2  杂质半导体

在室温下，本征半导体导电性能很差，为改善半导体的导电性能，在本征半导体中掺入其他化合价元素，制成掺杂半导体。掺杂后的半导体称为杂质半导体，杂质半导体按掺杂的种类可分为N型（电子型）半导体和P型（空穴型）半导体两种。

1．N型半导体

在本征半导体中，掺入微量五价元素，如磷、锑、砷等，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1个价电子。它不受共价键的束缚，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，并留下带正电的杂质离子，它不能参与导电，如图5-4所示。显然，这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度，即n_n≥p_n（下标n表示是N型半导体），主要靠电子导电，所以称为N型半导体。由于五价杂质原子可提供自由电子，故称为施主原子。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。

杂质半导体中多数载流子浓度主要取决于掺入的杂质浓度。由于少数载流子是半导体材料共价键提供的，因而其浓度主要取决于温度。此时电子浓度与空穴浓度之间，可以证明有如下关系

                                           （5.1.1）

即在一定温度下，电子浓度与空穴浓度的乘积是一个常数，与掺杂浓度无关。

图5-4  N型半导体的共价键结构

2．P型半导体

在本征半导体中，掺入微量三价元素，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。如果在硅晶体中掺入三价元素硼，每个硼原子的3个价电子与周围硅原子的价电子组成共价键时就多出一个空穴来，如图5-5所示。只要掺入少量硼，就会产生大量空穴，数量上大大超过热激发产生的电子空穴对。在掺入低价杂质的半导体中，以空穴导电为主，称为P型（空穴型）半导体。P型半导体中空穴为多数载流子，而自由电子为少数载流子。

杂质半导体中多子的浓度取决于掺杂浓度，而少子是由热激发产生，其数量随温度的上升而增加。杂质原子电离成一个电子和一个正离子（N型）或一个空穴和一个负离子（P型），整个半导体对外仍呈中性。

图5-5  P型半导体的共价键结构