文本描述
第一章 半 导 体 二极管
1.1 半导体基础知识
1.2半导体二极管的特性及主要参数
1.3 二极管电路的分析方法
1.3 特殊二极管
1.3 半导体二极管特性的测试与应用
1.1 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。
1.1.1 本征半导体
纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅和锗, 它们都是四价元素, 在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。为便于讨论, 采用图 1-１ 所示的简化原子结构模型。把硅或锗材料拉制成单晶体时, 相邻两个原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子, 它们一方面围绕自身的原子核运动, 另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用, 同时还受到相邻原子核的吸引。于是, 两个相邻的原子共有一对价电子, 组成共价键结构。故晶体中, 每个原子都和周围的４个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来,如图１ - ２所示。
图 1 – 1
硅和锗简化原子
结构模型
图 1 – 2 本征半导体共价键晶体结构示意图
共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量, 其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子, 同时必然在共价键中留下空位, 称为空穴。空穴带正电, 如图 1-３所示。
图 1 – 3 本征半导体中的自由电子和空穴
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。我们用n和p分别表示电子和空穴的浓度, 即ni=pi, 下标i表示为本征半导体。
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, 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ni增加 1 倍；对于锗材料, 大约温度每升高１２℃, ｎｉ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。
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