第一节常用半导体器件。
以电子器件为核心构成的电路称为电子电路。在电子器件中，由半导体材料制成的器件统称为半导体器件，它是构成各种电子电路的关键元件。由于半导体器件具有体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高等优点，而得到广泛应用。
由半导体器件发展而成的集成电路，特别是大规模集成电路、超大规模集成电路，使电子设备在微型化、可靠性、灵活性等方面向前推进了一大步。要了解半导体器件和集成电路，应首先了解半导体的基本知识。
半导体二极管和三极管是最常用的半导体器件。它们的基本结构、工作原理、特性和参数是学习电子技术和分析电子电路必不可少的基础，而pn结又是构成各种半导体器件的共同基础。因此，本章从讨论半导体的导电特性和pn结的基本原理开始，逐步介绍二极管和三极管的基本知识，为今后学习电子技术和分析电子电路打下基础。
一、半导体的基本知识。
1.半导体基本知识。
在自然界中，存在着许多不同的物质，按其导电性能的不同，大致可分为三类：一类是导电性能良好的物质，称导体（其电阻率低于10－5ω·m）。金属一般都是导体，如金、银、铜、铝、铁等；一类是在一般条件下不能导电的物质，称绝缘体（其电阻率高于108ω·m），如陶瓷、玻璃、橡胶、塑料等；还有一类物质称为半导体，顾名思义，就是它的导电能力介于导体和绝缘体之间（其电阻率在10－5～108ω·m），如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物等。
制作半导体器件最常用的材料是硅和锗，它们都是单晶体结构（晶体分为单晶体和多晶体两种。整个晶体的原子是按照一定的规律整齐排列的，称单晶体。整个晶体是由大到小单晶体组成的，称为多晶体），在它们的原子结构中，最外层都有4个电子，所以它们都是四价元素。
电子器件所用的半导体都要提纯为单晶体结构，所以有时把半导体叫做晶体。在这种单结晶体结构中，原子与原子之间会形成所谓的共价键结构。在绝对零度（即t=0k）时，电子被共价键束缚的很紧，不能自由移动，因此不能导电。
但是，半导体中的价电子不像绝缘体中的电子那样被紧紧束缚着，当温度升高或者受到光照时，由于热能的作用使一部分共价键被破坏，其价电子脱离这种结合而能在晶体之间自由运动，从而成为自由电子。这种现象称为本征激发或热激发。在价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。
自由电子和空穴分别带负电和正电，它们都称为载流子。
由于物质的导电能力取决于载流子的数目，本征半导体在常温下产生的电子－空穴对很少，所以导电性相当差。然而，当环境温度升高时，热激发使电子－空穴对的数目显著增多，其导电性也就明显的提高，这就是半导体的导电性随温度变化而明显变化的原因。
半导体具有如下特性：
1）热敏性。当环境温度变化时，半导体中的自由电子和空穴的数量发生变化，因此导电性能也发生变化。基于半导体的这种热敏特性，可做成各种温度敏感元件，如热敏电阻等。
2）光敏性。当受到外界光照时，半导体中自由电子和空穴数量会增加，导电性能增强。基于半导体的这种光敏特性，可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光敏电池等。
3）掺杂性。掺入杂质后使半导体的导电能力发生显著变化。纯净半导体中的自由电子和空穴是成对出现的，在常温下其数量有限，导电能力不强。
若在纯净半导体中掺入微量元素的杂质，其导电能力会大大增强。
在硅（或锗）本征半导体中掺入微量的五价元素，如磷（或锑）等，它就成为n型半导体。由于掺入杂质的原子数与整个半导体的原子数相比，其数量非常少，半导体的晶体结构基本不变，只是晶体中某些硅（或锗）原子的位置被磷原子所代替。磷原子有5个价电子，其中4个价电子与相邻的4个硅原子的价电子形成共价键后，多余的第5个价电子虽不受共价键束缚，但仍受磷原子核的吸引，不过它所受的吸引力比共价键的束缚作用要微弱得多，只要获取较小的能量就能挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。
所以，在n型半导体中，自由电子是多数载流子（简称多子），而空穴是少数载流子（简称少子），它主要依靠自由电子导电，因此称其为电子型半导体或n型半导体。
在硅（或锗）本征半导体中掺入微量三价元素，如硼（或铟）等，它就成为p型半导体。由于硼原子只有3个价电子，当它取代半导体硅原子在晶体中的位置时，与周围4个硅原子的价电子组成的共价键，因缺少1个价电子，其中1个共价键内出现1个空穴，那么相邻共价键中的价电子，只要受到一点刺激，获得较小的能量，就很容易跳出来，去填补这个空穴，使硼原子成为不能移动的负离子。原来硅原子的共价键因缺少1个电子而产生了空穴。
可见，硅半导体中每掺入一个硼原子就出现一个的空穴。
因此，在p型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子，主要依靠空穴导电，故称其为空穴型半导体或p型半导体。
结及其单向导电性。
pn结并不是将p型和n型半导体进行单纯的机械接触制成的，不能打乱半导体的单晶体原子排列，应在原子的水平上进行结合。如图7.1.
1所示为一块晶片，两边分别形成p型和n型半导体。用、分别表示带正电和带负电的离子，即失去一个电子的五价杂质离子（例如磷）和得到一个电子的三价杂质（例如硼）离子。当p型半导体（p区）和n型半导体（n区）结合在一起时，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差，p区中的空穴是多子，电子是少子；n区中的电子是多子，空穴是少子。
由于浓度上的差异，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这就是扩散运动。因此p区中的空穴向n区扩散后留下了不能移动的负离子，而n区中的电子向p区扩散后留下了不能移动的正离子。这些不能移动的带电离子就会在p区和n区的交界面形成一个空间电荷区，这就是pn结。
在这样一个区域中，由于多子已扩散到对方区域并复合掉，不再存在载流子，仅有固定的正负电荷存在，故pn结又称耗尽层。
在出现空间电荷区以后，在正、负离子的作用下产生了电场，这个电场是由多子的扩散。
运动产生的，不是外加电压所形成的，因此称其为内电场，方向由n区指向p区。随着扩散运动的进行，空间电荷区不断变宽，内电场不断加强。内电场的加强反过来又阻碍多数载流子的扩散，即内电场对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。
因此，空间电荷区又称阻挡层。与此同时，从内电场的方向和电子、空穴的带电极性可知，内电场又起着促使p区中的少子（自由电子）向n区运动，n区中的少子（空穴）向p区运动这样的作用。我们把半导体中的少子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动，以区别于由浓度差异形成的扩散运动。
扩散运动和漂移运动是同时存在的，二者互相联系，又互相影响。在pn结的形成过程中，刚开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动占优势，由扩散运动所产生的空间电荷区逐渐加宽，内电场逐渐增强，反过来又削弱扩散运动，产生漂移运动，漂移运动的增强又使得空间电荷区变窄，最后扩散运动和漂移运动二者作用相等，达到动态平衡。此时，内电场不再变化，空间电荷区的宽度稳定，即阻挡层的厚度保持不变，由此便形成了处于相对稳定状态的pn结。
图6-1 pn结的形成。
pn结的基本特性就是单向导电性。正是这种特性，使半导体得到了实际的、广泛的应用。pn结的单向导电性只有在外加电压时才显示出来。
pn结两端未加电压时，其扩散运动和漂移运动达到了动态平衡，阻挡层的厚度一定，内电场的强度也一定。
将电源的正极和p区相连，负极与n区相连，也就是在pn结上加正向电压（称为正向偏置）。如图6-2（a）所示。此时由电源所提供的外电场的方向与内电场的方向相反，它削弱了内电场的作用，促使扩散运动增强，因此扩散和漂移运动的平衡被破坏，p区的多子（空穴）和n区的多子（电子）都向pn结移动。
n区的电子进入pn结就和原来的部分正离子中和，使n区的空间电荷量减少；同样的，p区的空穴进入pn结就和原来的一部分负离子中和，使p区空间电荷量减少。其结果是阻挡层变薄，整个空间电荷区变窄，多子源源不断的通过pn结，而外接电源又对p区和n区不断地补充多子，形成了通过pn结的较大的扩散电流，称为正向（导通）电流。此电流包括空穴电流和电子电流两部分，空穴和电子虽然带有不同极性的电荷，但它们的运动方向相反，所以电流方向一致。
此时pn结呈低阻状态，称其为正向导通电阻。外加电压越大，外电场对内电场的削弱作用就越强，pn结阻值就越低，正向电流就越大。此时的pn结处于正向导通状态。
图6-2 pn结外加电压。
a) pn结外加正向电压 (b) pn结外加反向电压。
将电源的正极与pn结的n区相连，负极与p区相连，也就是在pn结上加反向电压（称为反向偏置）。如图6-2(b)所示。 此时外电场与pn结的内电场方向相同，在外电场的作用下，p区和n区的多子进一步离开pn结，使阻挡层加宽，空间电荷增加，内电场增强，多子的扩散运动难以进行。
外加的反向电压使多子不能通过pn结，扩散运动产生的电流趋于零，但是另外一方面，反向电压虽然使多子不能通过pn结，它却使少子更易通过pn结形成漂移电流。漂移电流又称反向电流。由于少子的数量非常少，所以反向电流也很小，即此时pn结呈现高阻状态。
反向电压越大，阻挡层就越宽。pn结加反向电压时，反向电流很小，其影响可以忽略，可认为pn结处于截止状态。
综上所述，pn结加正向电压时，有较大的正向电流通过，其正向电阻较小，处于导通状态；pn结加反向电压时，产生的反向电流很小，呈现很高的反向电阻，处于截止状态。这就是pn结的单向导电性。
二、半导体二极管。
1.基本结构。
将一个pn结的两端各加上一条电极引线，再用管壳封装起来，就成为一只半导体二极管，也叫晶体二极管。与p区相连的电极称为正极或阳极，与n区相连的电极称为负极或阴极。二极管的符号如图6-3所示。
二极管视结构的不同，可分为点接触型和面接触型两大类。点接触型二极管的pn结的结面积很小，不能承受高的反向电压和大的电流。这种类型的管子多用来做高频检波和数字电路里的开关元件。
面接触型的pn结的结面积大，可承受较大的电流，所以这类管子可用于大功率整流电路中。
二极管的种类很多。按用途来分，可分为普通二极管、开关二极管、检波二极管、整流二极管、稳压二极管、变容二极管、发光二极管和光敏二极管等。按制造材料来分，可分为硅二极管、 图6-3 二极管的符号
锗二极管和砷化钾二极管等。
二极管的命名可参阅附录。
2.伏安特性。
二极管的性能常用伏安特性来表示。所谓伏安特性，就是指加在二极管两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线。如图6-4所示。
图6-4 二极管的伏安特性曲线。
1）正向特性。
二极管承受正向电压时，其伏安特性如图中的第一象限所示。在正向电压比较小时，外电场还不足以克服内电场对多数载流子所造成的阻力，所以此时的正向电流几乎为零，二极管呈现很大的电阻。这个范围称为死区，相应的电压称为死区电压。
通常锗管的死区电压约为0.1v，硅管的死区电压约为0.5v。
当正向电压大于死区电压后，内电场被大大削弱，因而电流增长很快。在正常工作的情况下，锗管的正向导通压降约为0.2～0.
3v，硅管为0.6～0.8v。
该区域称为正向导通区。
2）反向特性。
图6-4中第三象限曲线所示即为二极管承受反向电压时的反向伏安特性。二极管中的少数载流子在反向电压作用下将通过pn结形成反向电流。但由于少数载流子数目有限，在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，故通常称其为反向饱和电流。
该区域称为反向截止区。
电力电子学第二章作业
1.说明半导体pn结单向导电的基本原理和静态伏 安特性。正向接法时内电场被削弱，扩散运动强于漂移运动，掺杂形成的多数载流子导电，等效电阻较小，这时二极管在电路中相当于一个处于导通状态的开关。静态伏 安特性如下图所示 2.说明二极管的反向恢复特性。1 开关过程，由导通状态转为阻断状态并不是立即完成，它...
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