第一章 半导体二极管

第一章半导体二极管内容提要：本章介绍半导体二极管的工作原理、特性曲线和参数。

半导体器件的基础是PN结，为此对PN结的形成和电特性也给予了必要的介绍。

目前最基本的电子器件主要有三大类:电子管半导体器件集成电路本章主要介绍现代电子器件——集成电路的基础器件，半导体二极管和三极管的基本知识，工作原理，特性曲线和参数。

1.1 半导体的基本知识物体有导体、半导体和绝缘体之分，它们是根据物体的导电能力来划分的。

导电能力往往用电阻率来表示，单位是Ωcm。

一般规定半导体的电阻率在10-3～109Ωcm之间。

典型的半导体有硅Si和锗Ge，以及砷化镓GaAs等。

硅和锗在元素周期表上是四价元素，砷化镓则属于半导体化合物。

1.1.1 本征半导体1.1.1.1 本征半导体的定义是化学成分纯净的半导体，它在物理结构上有多晶体和单晶体两种形态，制造半导体器件必须使用单晶体，即整个一块半导体材料是由一个晶体组成的。

制造半导体器件的半导体材料纯度要求很高，要达到99.9999999%，常称为"九个9"。

1.1.1.2 本征半导体的共价键结构硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。

根据化学的知识可以知道，最外层的价电子受原子核的束缚力最小，容易脱离原子核的束缚而参与导电。

在半导体晶体中，最外层的价电子分别与周围的四个原子的价电子形成共价健。

1.1.1.2 电子空穴对当半导体处于热力学温度0 K时，导体中没有自由电子。

当温度升高大于0 K时，或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，成为自由电子，从而可能参与导电。

这一现象称为本征激发（也称热激发）。

本征激发会产生如下物理过程:在自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的电荷量相等，通常称呈现正电性的这个空位为空穴。

可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。

一部分游离的自由电子在经过空穴附近时，也可能被空穴所俘获，称为复合，如图1-1-2所示。

本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。

图1-1-2 本征激发和复合的过程动画01-11.1.1.3 空穴的移动自由电子的定向运动就形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的电流方向相反。

只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。

空穴移动的见图1-1-3。

例如 A 处的空穴被 B 处的电子所充填，B 处产生一个新的空穴，同时 A 处产生复合，接下来，B 处的空穴被C 处的电子所充填，同时C 处产生一个空穴，B 处产生复合，如此不断进行，空穴于是靠着相邻共价键中的价电子依次充填而产生运动。

图1-1-3 空穴在晶格中的移动动画01-21.1.2杂质半导体在本征半导体掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。

掺入的杂质主要是三价或五价元素，掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

要注意，这里的杂质半导体是在提纯的本征半导体中掺入一定浓度的三价或五价元素而得到的，不是普通意义的含有多种任意杂质的半导体。

1.1.2.1 N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体，也称电子型半导体。

因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易成为自由电子。

在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子因失去了这个价电子而带正电荷，成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。

N型半导体的结构示意图如图1-1-4所示。

图1-1-4 N型半导体的结构示意图[8]1.1.2.2 P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。

[9]因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下了一个空位。

这个空位很容易从临近的硅原子中俘获价电子，从而使杂质原子成为负离子，而失去价电子的硅原子则出现一个空穴。

P型半导体中空穴是多数载流子，其数量主要由掺杂的浓度确定；电子是少数载流子，由热激发形成。

三价杂质也称为受主杂质。

P型半导体的结构示意图如图1-1-5所示。

图1-1-5 P型半导体的结构示意图[9]1.1.3 杂质对半导体导电性的影响掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，因为多数载流子是由掺入的杂质的浓度决定的。

一些典型的数据如下：1.1.4 温度对半导体导电性的影响温度对半导体的导电性能也有很大的影响，以上给出的本征硅原子浓度等三个数据都是在一定温度条件下（T = 300K）给出的。

当温度升高时，半导体的导电性将迅速提高，所以温度对半导体的导电性有很大的影响。

用半导体制成的半导体器件在实际工作时，必须注意温度的影响或限制半导体器件的温度不超过一定值。

【思考题】1-1-1 什么是半导体？1-1-2 对制作半导体器件的半导体材料有何要求？这种半导体称为什么半导体？1-1-3 在半导体中参与导电的是哪些载流子？它们是如何形成的？1-1-4 在本征半导体中参与导电的载流子有哪些？它们的数量与什么因素有关？1-1-5 什么是杂质半导体？有几种类型？它们是如何形成的？1-1-6 说明N型半导体和P型半导体中的载流子有何特点？什么是施主杂质和受主杂质？1-1-7 说明在室温条件下，本征硅原子浓度、少数载流子浓度和多数载流子浓度三者之间在数量上大致的数量关系。

1.2 PN结1.2.1 PN结的形成将一块P型半导体和N型半导体紧密连接在一起，这种紧密连接不能有缝隙，是一种原子半径尺度上的紧密连接。

此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程。

(b) 形成内电场 (c) 扩散和漂移电流达到动平衡图1-2-1 PN结的形成过程(图中只画出了杂质原子)N型半导体中的多数载流子电子的浓度远大于P型半导体中少数载流子电子的浓度；P型半导体中多数载流子空穴的浓度远大于N型半导体中少数载流子空穴的浓度。

于是在两种半导体的界面上会因浓度差发生载流子的扩散运动，见图1-2-1(a)。

(a) 多子因浓度差形成扩散运动图1-2-1 PN结的形成过程(图中只画出了杂质原子)随着扩散运动的进行，在界面N区的一侧，随着电子向P区的扩散，施主杂质会变成正离子；在界面P区的一侧，随着空穴向N区的扩散，受主杂质会变成负离子。

施主杂质和受主杂质在晶格中是不能移动的，所以在N型和P型半导体界面的N型区一侧会形成正离子薄层；在P型区一侧会形成负离子薄层。

这种离子薄层会形成一个电场，方向是从N区指向P区，称为内电场，见图1-2-1(b)。

(b) 形成内电场(c) 扩散和漂移电流达到动平衡图1-2-1 PN结的形成过程(图中只画出了杂质原子)内电场的出现及内电场的方向会对多数载流子的扩散运动产生阻碍作用，限制了扩散运动的进一步发展。

我们不要忘记，在半导体中还存在少数载流子，内电场的出现，电场力会对少数载流子产生作用，促使少数载流子产生漂移运动。

漂移电流的方向正好与扩散电流的方向相反，扩散运动越强，内电场越强，对扩散运动的阻碍就越强；内电场越强，理应漂移电流就越大。

因少数载流子的浓度与温度有关，在一定的温度条件下，少数载流子的浓度一定，所以漂移电流的大小就一定，不会随内电场加大而继续加大。

从而在某个温度条件下，扩散和漂移会达到动态平衡，扩散电流和漂移电流相等，见图1-2-1(c)。

在P型半导体和N型半导体界面处形成的杂质离子薄层，内电场的方向是从N区指向P区，我们称这个内电场为PN结。

因为离子薄层中的多数载流子已经扩散尽了，缺少多子，所以这个离子薄层也称为耗尽层。

所以PN结有许多别名，离子薄层、空间电荷区、耗尽层、内电场、阻挡层、势垒等等。

可以用下列箭头来描述这一过程1.2.2 PN结的单向导电性实验1：PN结的导电性。

按如下方式进行PN结导电性的实验，因为PN 结加上封装外壳和电极引线就是二极管，所以拿一个二极管来当成PN结。

P区为正极；N区为负极。

对于图1-2-2(a)的实验电路，（表示二极管负极的黑色圆环在右侧，）发光二极管发光，说明PN结是导通的；将PN结左右翻转180 ，（二极管的黑色圆环在左侧，）电路的其他部分不变，如图1-2-2(b)所示，此时发光二极管不发光，说明PN结不导电（或电流很小不足以使发光二极管发光）。

这个实验说明PN结（二极管）具有单向导电性。

(a) PN结正向导通 (b) PN结反向截止图1-2-2 PN结单向导电性的实验PN结具有单向导电性，若P区的电位高于N区，电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；若P区的电位低于N区，电流从N区流到P区，PN结呈高阻性，所以电流小。

如果外加电压使：PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏；PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏。

1.2.2.1 PN结加正向电压时的导电情况PN结加正向电压时的导电情况如下：PN结加正向电压时的导电情况如图1-2-3所示。

外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。

于是，内电场对多数载流子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。

扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。

(a) PN结示意图(b) PN结加正向电压图1-2-3 PN结正偏时的导电情况1.2.2.2 PN结加反向电压时的导电情况PN结加反向电压时的导电情况如下：PN结加反向电压时的导电情况如图1-2-4所示。

外加的反向电压有一部分降落在PN 结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。

内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。

此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。

在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。

图1-2-4 PN结反偏时的导电情况1.2.3 PN结的电容效应PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。

一是势垒电容C B ，二是扩散电容C D，本课程仅介绍势垒电容CPN结加正向电压时的导电情况如图1-2-3所示。

外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。

于是，内电场对多数载流子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。

扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。