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1.1.3所示。

从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。

但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝缘体那样好。

受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。

游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴。

由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发。

本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的产生，由此本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。

由于共价键是定域的，这些带正电的离子不会移动，即不能参与导电，成为晶体中固定不动的带正电离子。

受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直接跳进空穴，使失电子的原子重新恢复电中性。

价电子填补空穴的现象称为复合。

参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子＋4共价键价电子＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4图1.1.3 单晶硅和锗的共价键结构示意图载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。

自由电子载流子运动可以形容为没有座位人的移动；空穴载流子运动则可形容为有座位的人依次向前挪动座位的运动。

半导体内部的这两种运动总是共存的，且在一定温度下达到动态平衡。

半导体的导电机理：半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别：金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电；而半导体中则是本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴两种载流子同时参与导电。

两种载流子电量相等、符号相反，即自由电子载流子和空穴载流子的运动方向相反。

结论：1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。

4. 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。

（1）Ｎ型半导体在本征半导体中, 掺入微量５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, 还多余 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１.1.４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。

+4+4+4+4+4+4+4+4+4空位受主原子由于５价杂质原子可提供自由电子, 故称为施主杂质。

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。

（2）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1.1.5所示。

+5 +4+4+4+4+4 图1.1.4 N 型半导体原子结构示意图图1.1.5 P 型半导体原子结构示意图（3）P 型、N 型半导体的简化图示 图1.1.6所示为P 型、N 型半导体的简化图结论：N 型半导体：自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子，载流子数 ≈电子数P 型半导体：空穴称为多数载流子；自由电子称为少数载流子，载流子数 ≈空穴数5. PN 结 （1）PN 结的形成1） 载流子的浓度差引起多子的扩散在一块完整的晶片上,通过一定的掺杂工艺,一边形成P 型半导体,另一边形成N 型半导体。

P 型半导体和N 型半导体有机地结合在一起时，因为P 区一侧空穴多，N 区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。

于是P 区中的空穴会向N 区扩散，并在N 区被电子复合。

而N 区中的电子也会向P 区扩散，并在P 区被空穴复合。

这样在P 区和N 区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。

上述过程如图1.17(a)所示。

结果在界面的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区，如图1.1.7(b)所示。

少数载流子多数载流子 少数载流子多数载流子 图1.1.6 P 型、N 型半导体的简化图2） 复合使交界面形成空间电荷区（耗尽层）空间电荷区的特点：无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。

3）扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流 I = 0。

（2） PN 结的单向导电特性在PN 结两端外加电压,称为给PN 结以偏置电压。

1） PN 结正向偏置给PN 结加正向偏置电压,即P 区接电源正极,N 区接电源负极,此时称PN 结为正向偏置(简称正偏),如图1..1.8所示。

由于外加电源产生的外电场的方向与PN 结产生的内电场方向相反,削弱了内电场,使PN 结变薄,有利于两区多数载流子向对方扩散,形成正向电流,此时PN 结处于正向导通状态。

P(a )NP(b )N空间电荷区内电场U B图1.1.7 PN 结的形成P 区 N 区+UR外电场内电场图1.1.8 PN 结加正向电压2．PN 结反向偏置给PN 结加反向偏置电压,即N 区接电源正极,P 区接电源负极,称PN 结反向偏置(简称反偏),如图1.1.9所示。

由于外加电场与内电场的方向一致,因而加强了内电场,使PN 结加宽,阻碍了多子的扩散运动。

在外电场的作用下,只有少数载流子形成的很微弱的电流,称为反向电流。

注：少数载流子是由于热激发产生的,因而PN 结的反向电流受温度影响很大。

结论： PN 结具有单向导电性,即加正向电压时导通,加反向电压时截止。

6、PN 结的击穿特性当加于PN 结的反向电压增大到一定值时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN 结击穿。

PN 结发生反向击穿的机理可以分为两种。

1)雪崩击穿在轻掺杂的PN 结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。

当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对。

新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、P 区 N 区+U R内电场外电场图1.1.9 PN 结加反向电压空穴对。

2)齐纳击穿在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。

当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。

这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。

一般来说，对硅材料的PN结，U BR>7V时为雪崩击穿；U BR<5V时为齐纳击穿；U BR介于5~7V时，两种击穿都有。

本节小节1．本征半导体的特性2．两种杂质半导体的导电机理3．PN结的形成及单向导电性1.2 二极管复习并导入新课上节课主要介绍了半导体的一些基本特性，其中重点讲述了PN 结的形成及其单向导电性。

在PN 结加上电极引线和管壳便构成了晶体二极管。

1． 二极管的基本结构与类型把PN 结用管壳封装，然后在P 区和N 区分别向外引出一个电极，即可构成一个二极管。

二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一。

根据其用途分有检波管、开关管、稳压管和整流管等。

二极管的结构外形及在电路中的文字符号如图1.2.1所示,在图1.2.1(b)所示电路符号中,箭头指向为正向导通电流方向。

:根据PN 结面积大小,有点接触型、面接触型二极管,其结构如图 1.2.2所示。

正极 引线触丝N 型锗片外壳 （a ）点接触型PN正极外壳引线引线＋－正极负极负极(a )(b )V图1.2.1 晶体二极管结构示意图及电路符号点接触型：结面积小，适用于高频检波、脉冲电路及计算机中的开关元件。

面接触型：结面积大，适用于低频整流器件。

2.二极管的伏安特性半导体二极管的核心是PN 结,它的特性就是PN 结的特性——单向导电性。

常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。

若以电压为横坐标,电流为纵坐标,用作图法把电压、电流的对应值用平滑负极引线（b ）面接触型N 型锗PN 结正极引线铝合金 小球底座金锑 合金PN型支持衬底负极引线（c ）平面型P N P 型支持衬底正极引线图1.1.2 二极管的结构0.2~0.3V,如图1.2.2中AB(A′B′)段。

二极管正向导通时,要特别注意它的正向电流不能超过最大值,否则将烧坏PN结。

2)反向特性二极管两端加上反向电压时,在开始很大范围内,二极管相当于非常大的电阻,反向电流很小,且不随反向电压而变化。

此时的电流称之为反向饱和电流I R,见图1.2.2中OC（OC′）段。

3)反向击穿特性二极管反向电压加到一定数值时,反向电流急剧增大,这种现象称为反向击穿。

此时对应的电压称为反向击穿电压,用U BR表示,如图1.11中CD(C′D′)段。

4)温度对特性的影响由于二极管的核心是一个PN结,它的导电性能与温度有关,温度升高时二极管正向特性曲线向左移动,正向压降减小;反向特性曲线向下移动,反向电流增大。

3．二极管的主要参数器件参数是定量描述器件性能质量和安全工作范围的重要数据，是我们合理选择和正确使用器件的依据。

参数一般可以从产品手册中查到，也可以通过直接测量得到。

下面介绍晶体二极管的主要参数及其意义。

1)最大整流电流ＩDM。

它是二极管允许通过的最大正向平均电流。

工作时应使平均工作电流小于ＩＦ, 如超过ＩＦ, 二极管将过热而烧毁。

此值取决于ＰＮ结的面积、材料和散热情况。

2)最大反向工作电压ＵＲM。

这是二极管允许的最大工作电压。

当反向电压超过此值时, 二极管可能被击穿。

为了留有余地, 通常取击穿电压的一半作为ＵＲ。

3)反向电流ＩＲ。

指二极管未击穿时的反向电流值。

此值越小, 二极管的单向导电性越好。

由于反向电流是由少数载流子形成, 所以ＩＲ值受温度的影响很大。

4)最高工作频率ｆＭ。

ｆＭ的值主要取决于ＰＮ结结电容的大小, 结电容越大, 则二极管允许的最高工作频率越低。

4. 二极管的应用举例(1)二极管的开关作用注意：分析实际电路时为简单化，通常把二极管进行理想化处理，即正偏时视其为“短路”，截止时视其为“开路”。

(2)二极管的整流作用将交流电变成单方向脉动直流电的过程称为整流。