第1章晶体二极管及其基本电路1―1半导体物理基础知识硅和锗的原子结构纯净的单晶半导体称为本征半导体。在本征硅和锗的单晶中，原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵(称为晶格)。由于原子间相距很近，价电子不仅受到自身原子核的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使得每个价电子为相邻原子所共有，从而形成共价键。单晶硅和锗的共价键结构示意图四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共价键，依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一起。共价键中的电子，由于受到其原子核的吸引，是不能在晶体中自由移动的，所以是束缚电子，不能参与导电。能够自由移动的带电粒子称为载流子一、半导体中的载流子——自由电子和空穴二、本征载流子浓度本征半导体的导电能力是很弱的；本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大，所以其导电性能对温度的变化很敏感。杂质半导体在本征半导体中，有选择地掺入少量其它元素，会使其导电性能发生显著变化。这些少量元素统称为杂质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入的杂质不同，有N型半导体和P型半导体两种。一、N型半导体在本征硅(或锗)中掺入少量的五价元素，如磷、砷、锑等，就得到N型半导体。这时，杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的四个价电子和周围四个硅原子组成共价键，而多出一个价电子只能位于共价键之外，如图所示。N型半导体原子结构示意图二、P型半导体在本征硅(或锗)中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等，就得到P型半导体。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位，如图所示。P型半导体原子结构示意图注意：N型半导体和P型半导体仍然是电中性的。三、杂质半导体的载流子浓度在杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数。因此，在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要由掺杂浓度决定。杂质半导体中的少子浓度，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。在热平衡下，两者之间有如下关系：多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。对P型半导体，多子pp与少子np有结论：本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多，而另一种载流子少。多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有关，因而它的大小与温度有十分密切的关系。半导体中有两种电流：漂移电流和扩散电流。二、扩散电流1．定义：因某种原因使半导体中的载流子的浓度分布不均匀时，载流子从浓度大的地方向浓度小的的地方作扩散运动，形成的电流。2．扩散电流主要取决于载流子的浓度差（即浓度梯度）。浓度差越大，扩散电流越大，而与浓度值无关。反映在浓度分布曲线上(见图1―6)，即扩散电流正比于浓度分布线上某点处的斜率dn(x)/dx(dp(x)/dx)。半导体中载流子的浓度分布1―2PN结及晶体二极管1―2―1PN结的形成P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，PN结的形成开始时，扩散运动占优势，随着扩散运动的不断进行，空间电荷区展宽，使内电场不断↑，漂移运动随之↑，而扩散运动相对↓。最后，使扩散和漂移运动达到动态平衡。平衡时，空间电荷区的宽度一定，UB也保持一定，如图所示。对称PN结：如果P区和N区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结。不对称PN结：如果一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小(轻掺杂)，则称为不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，如图所示。不对称PN结1―2―2PN结的单向导电特性一、PN结加正向电压使P区电位高于N区电位的接法，称PN结加正向电压或正向偏置(简称正偏)，如图所示。二、PN结加反向电压使P区电位低于N区电位的接法，称PN结加反向电压或反向偏置(简称反偏)。由于反向电压与UB的极性一致，因而耗尽区两端的电位差变为UB+U，如图1―10所示。三、PN结电流方程理论分析证明，流过PN结的电流i与外加电压u之间的关系为i=IS(eu/kT-1)=IS(eu/UT-1)式中，IS为反向饱和电流，其大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关；UT=kT/q，称为温度的电压当量或热电压。在T=300K(室温)时，UT=26mV。由上式可知：PN结正偏，且u大于UT几倍以上，则有，i≈Iseu/UT，即i随u呈指数规律变化；PN结反偏，且|u|大于UT几倍以上，则i≈―IS(负号表示与正向参考电流方向相反)。PN结的伏安特性曲线，如图所示。PN结的伏安特性1―2―3PN结的击穿特性由上图看出，当反向电压超过UBR后稍有增加时，反向电流会急剧增大，