1.3.1 半导体知识
微课 半导体与PN结
1.半导体特性
导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗等，半导体的主要特点有以下几个。
（1）共价键结构。硅和锗等材料，外层有4个价电子，所以原子是以共价键结合，性质稳定，如图1-8所示。
图1-8 硅原子的共价键结构示意图
（2）有“电子”和“空穴”两种载流子。纯净的半导体因其共价键结构，所以其性质较稳定，在热力学零度（-273.16℃）时没有电子挣脱共价键，所以半导体中无载流子，半导体不导电。在室温下，由于热激发，会有少数电子挣脱共价键，成为“自由电子”，共价键失去一个电子，会留下一个空位，称为“空穴”，空穴会吸引邻近的电子补充该空位，在电子原来的共价键中又留下一个空位。电子不断补充空位又形成新的空穴运动，可以看成是空穴在做与电子相反的“运动”。所以，半导体中有电子和空穴两种载流子，电子带负电，空穴带正电。半导体中的电流是两种载流子共同产生的。
（3）具有热敏性、光敏性、掺杂性。
①热敏性：半导体大都具有负的电阻温度系数，其导电能力随温度升高而增强。
②光敏性：半导体与金属导体不同，对光和其他射线很敏感，在光照下，电阻减小，导电能力增强。
③掺杂性：在纯净的半导体中掺入微量杂质，可显著地提高其导电能力。如在纯净硅中掺入1亿分之一的硼元素，其导电能力可以增加2万倍以上。利用这种掺杂的特性，可以控制半导体的导电能力，制成各种半导体器件。
2.半导体类型
（1）本征半导体。
纯净的硅或纯净的锗等不含杂质的半导体，称“本征半导体”。本征半导体因载流子数量较少，所以导电能力很弱。
（2）杂质半导体。
实际应用的半导体是在硅或锗元素中掺入微量的杂质元素的半导体，称“杂质半导体”。杂质半导体根据掺入的杂质不同，分为P型半导体和N型半导体。
①P型半导体：在硅或锗晶体中掺入微量的3价元素，如硼、铝、镓、铟等，因杂质原子的3个价电子与周围的硅原子形成共价键时，出现一个空穴，所以空穴是多数载流子，简称“多子”，如图1-9所示。又由于热激发会从共价键中游离出少量的电子，故电子为少数载流子，简称“少子”。这种半导体称为P型半导体。
②N型半导体：在硅或锗晶体中掺入微量的5价元素，如磷、砷、锑等，因杂质中的5个价电子有4个与周围的硅原子形成共价键，多余的1个价电子游离于共价键之外，所以电子为多子，如图1-10所示。又由于热激发，少数电子会挣脱共价键束缚，在共价键中留下空穴，所以空穴为少数载流子。这种半导体称为N型半导体。
图1-9 P型半导体结构示意图
图1-10 N型半导体结构示意图
3.PN结
PN结即P型半导体和N型半导体的交界处，由不能移动的带电离子构成的区域。
（1）PN结的形成。
在一块硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边为N型半导体，另一边为P型半导体，由于两侧多子和少子的浓度差别很大，引起两侧的多子向对方扩散，扩散到P区的电子与空穴复合消失，扩散到N区的空穴与电子复合消失，这样在交界面附近，出现了由不能移动的带电离子组成的空间电荷区，因没有载流子，又称为“耗尽层”。P区一侧为负离子区，N区一侧为正离子区，由此形成了一个由N区指向P区的内电场。内电场一方面阻止多子扩散，另一方面引起少子漂移。扩散使空间电荷区加宽，漂移将使空间电荷区变窄，最终扩散和漂移达到平衡，空间电荷区宽度不再变化，扩散电流与漂移电流相等，PN结电流为零。
PN结的形成过程如图1-11所示。
图1-11 PN结形成示意图
（2）PN结的单向导电性。
PN结在无外加电压的情况下，处于载流子扩散和漂移运动的动态平衡状态，PN结的电流为0。当外加电压时，PN结呈现单向导电性。
PN结正向偏置（即P区电位高于N区或P区接电源正极，N区接电源负极）时，多子的扩散运动加强，形成较大的扩散电流，方向从P区流向N区，为正向电流；当PN结反向偏置时，内、外电场方向一致，阻碍多子扩散，流过PN结的仅仅是少子的漂移电流，方向从N区流向P区，为反向电流。所以，PN结正向偏置时，呈导通状态，反向偏置时，呈截止状态，PN结具有单向导电性。
1.3.2 二极管结构与特性
1.二极管结构及符号
在一个PN结的两端引出电极，用外壳封装，就构成半导体二极管（简称二极管）。由P区引出的电极称阳极，由N区引出的电极称阴极。二极管的电路符号如图1-12所示。
微课 二极管认知与检测
图1-12 二极管符号
2.二极管的特性
二极管的核心结构是PN结，所以其特性与PN结的特性相似。PN结单向导电，因此二极管也具有单向导电性。二极管的伏安特性如图1-13所示。
（1）阈值电压。
使二极管导通的正向电压的最小值称为阈值电压，又称“门槛电压”。只有当二极管所加正向电压超过某一数值时，二极管才导通，电流随电压迅速增大。
室温下，硅二极管的导通电压约为0.5 V，锗二极管约为0.1 V。
（2）导通压降。
二极管导通后正向压降很小，硅管为0.6～0.8 V（通常取0.7 V），锗管为0.2～0.3 V（通常取0.3 V）。
图1-13 硅二极管的伏安特性
（3）反向击穿。
图1-13所示曲线中②段为反向特性，在外加反向电压时，二极管截止，反向电流（为反向饱和电流）很小。但在③段，当反向电压增大到某一数值，即反向击穿电压（UBR）时，二极管反向击穿，产生很大的反向击穿电流，但只要该电流限制在不烧毁PN结的范围，当反向电压减小到UBR时，二极管还可使用。
利用二极管的反向击穿特性可以进行稳压。稳压二极管就是利用二极管的反向击穿特性工作的。
1.3.3 二极管识别与检测
1.二极管类型
（1）二极管主要类型。
常用的二极管按材料分，有硅二极管和锗二极管；按用途分，有整流二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管和普通二极管等；按结构分，有点接触型、面接触型。常用二极管的外观如图1-14所示。
图1-14 常用二极管外观
（a）整流二极管；（b）稳压二极管；（c）发光二极管
（2）发光二极管。
LED导通后，电子与空穴复合时，释放能量，辐射光。不同的半导体材料，电子和空穴复合时释放出的能量不同，能量越多，则发出的光波长越短。因此，会发出不同颜色的光。
常见材料的发光二极管的发光颜色如表1-3所示。
表1-3 发光二极管的材料与颜色对应关系
发光二极管在使用时，不能超过其额定工作电压及工作电流；否则将使二极管损坏。典型发光二极管的工作电压及工作电流如表1-4所示。
表1-4 典型发光二极管的工作电压及工作电流
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故发光二极管在使用时，需串联一个限流电阻，限流电阻的大小按下式计算，即
式中：U为电源电压；UD为发光二极管正向压降；IF为发光二极管的正常工作电流。
2.二极管管脚识别
（1）普通直插式二极管：有色环的一端为二极管阴极。
（2）发光二极管：长引脚为二极管阳极，短引脚为二极管阴极。
（3）金属封装二极管：按表面标注的二极管标志识别。
3.二极管检测
（1）指针式万用表。
二极管具有单向导电性，所以正向电阻小，反向电阻大。根据万用表测量原理，可用R×1 k挡或R×10 k挡，用黑表笔（万用表电源正极）接触二极管的一端，红表笔（万用表电源负极）接触另一端，测量其极间电阻。
①若表针停在刻度盘的适中位置，则说明黑表笔所接的一端是二极管的阳极，另一端是二极管的阴极。
②若表针指在无穷大值或接近无穷大处，则黑表笔所接的一端是二极管的阴极，另一端是二极管的阳极。
③若电阻值为0，说明管芯短路损坏。
④若电阻接近无穷大，说明管芯断路。短路和断路的二极管都不能使用。
（2）数字式万用表。
因为其测量原理与指针式万用表不同，因此不能用测量电阻的方法测量二极管极性，而是用万用表专用的二极管测量挡。
1.3.4 二极管的功能及应用
1.二极管开关作用
微课 二极管典型应用
根据二极管的单向导电性和开关特性，二极管可作为电子开关，当二极管正向导通时相当于开关闭合，二极管反向截止时相当于开关断开。
（1）二极管与门电路。
图1-15所示为二极管与门电路，在A、B端电位值分别取0 V和3 V时，二极管VD1、VD2的工作状态和输出端F点的电位分别如下。
①当A、B输入端电位分别为0 V、0 V时，二极管VD1和VD2承受的正向电压相同，同时导通，F点电位被钳制在0.7 V（硅二极管导通压降为0.7 V）。
②当A、B输入端电位分别为0 V、3 V时，二极管VD1承受的正向电压比VD2大，VD1优先导通，F点电位为0.7 V，这时VD2反偏截止。
③当A、B输入端电位分别为3 V、0 V时，二极管VD2承受的正向电压比VD1大，VD2优先导通，F点电位也为0.7 V，这时VD1反偏截止。
④当A、B输入端电位分别为3 V、3 V时，二极管VD1和VD2承受的正向电压相同，同时导通，F点电位被钳制在3.7 V。
分析结果如表1-5所示。
图1-15 二极管与门电路
表1-5 二极管与门电路工作状态表
（2）二极管只读存储电路。
图1-16所示为二极管只读存储电路，其中，X1～X4为字线，与存储器地址译码器的输出连接，当进行存储器读操作时，译码器对所读存储器单元的地址码译码，对应字线为高电平；W1～W4为位线，通过电阻接地，当字线和位线间所接的二极管不导通时，位线为低电平。
存储单元X1～X4所存储的信息分别如下：
①当地址译码器选中X1存储单元时，X1为高电平[3]，X2、X3、X4为低电平，X1与W1间、X1与W4间所接的二极管导通，W1、W4为高电平，故X1存储的信息为1001。
②当地址译码器选中X2存储单元时，X2为高电平，X1、X3、X4为低电平，X2与W1间、X2与W2间所接的二极管导通，W1、W2为高电平，故X2存储的信息为1100。
③当地址译码器选中X3存储单元时，X3为高电平，X1、X2、X4为低电平，X3与W4间所接的二极管导通，W4为高电平，故X3存储的信息为0001。
④当地址译码器选中X4存储单元时，X4为高电平，X1、X2、X3为低电平，X4与W2间、X4与W3间所接的二极管导通，W2、W3为高电平，故X4存储的信息为0110。
2.二极管整流作用
（1）二极管单相半波整流电路。
图1-17（a）所示为二极管单相半波整流电路，在输入电压ui为正弦波的情况下，负载电阻RL上的电压如图1-17（b）所示。
（2）二极管单相桥式全波整流电路。
图1-18所示电路为二极管单相桥式全波整流电路，电路的工作原理如下。
当ui正半周时，二极管VD1和VD3正向偏置导通，电流iL从A点经VD1从负载电阻RL的上方流向下方，经VD3到B点形成回路。
图1-16 二极管只读存储电路
图1-17 二极管单相半波整流电路
（a）整流电路；（b）负载电压波形
当ui负半周时，二极管VD2和VD4正向偏置导通，电流iL从B点经VD2从负载电阻RL的上方流向下方，经VD4到A点形成回路。可见，无论是ui正半周还是负半周，负载电阻RL的电流和电压都是从上到下，方向不变。负载电压及电流波形如图1-19所示。
图1-18 二极管单相桥式全波整流电路
图1-19 单相桥式整流电路波形
据单相桥式全波整流电路的谐波分析，可得输出电压的平均值为U0=0.9U。
3.二极管稳压作用
利用二极管的反向击穿特性，可起稳压作用。图1-20所示电路是一个小功率直流稳压电源的仿真电路，图中VD1即为稳压二极管。整流、滤波、稳压后的波形如图1-21所示。
图1-20 小功率直流稳压电源的仿真电路
图1-21 小功率直流稳压电源各环节的仿真波形
4.续流二极管
续流二极管通常和感性元件一起使用，如图1-22所示。
图中KR表示磁性元件，如电磁继电器线圈。由于感性器件具有储存磁场能量的特性，当电流突然失去时，感性器件线圈会产生反向感应电压，损毁电路中的晶体管等电子元件。将二极管与感性器件线圈反向并联，可以为其提供一个能量释放通路，将其储存的磁场能量释放掉。
续流二极管宜选择快速恢复二极管或者肖特基二极管。
图1-22 续流二极管
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