半导体和晶体二极管

在电工和无线电技术中，广泛地使用着导体和绝缘体。拿一根电灯软线来说吧。它中间的铜线是导体，用来传导电流。它外面裹的胶皮和纱套是绝缘体，用来把带电的导体和外界隔开。看来，导电性能不好，绝缘性能也不好的半导体似乎是没有多大用处的。但是，自从1948年用半导体材料做成的晶体三极管出现以来，情况就完全不同了。晶体管可以和电子管起相同的作用，但是它的体积小，重量轻，坚固耐震，寿命长，并且非常省电，所以它已经广泛地用在无线电收音机、电视机、电子计算机以及各种各样的电子仪器中，来代替电子管的工作。例如，有一架通用计算机，它用了2165个晶体三极管和36OO个晶体二极管，而一个电子管也没有用。这台机器只消耗功率31O瓦，比用电子管作成的同样的计算机少95%；它的体积只为电子管计算机的一半；但是它的工作却比电子管计算机可靠，而且坚固耐用。现在，制造晶体管的半导体材料，已经成为无线电电子学中最重要的，最有希望的材料了。

这里我们简短地介绍一下半导体导电的性质和晶体二极管的作用原理。

目前制造晶体管最常用的半导体材料是锗和硅。现在我们就拿锗作为例子，谈谈半导体是怎样导电的。

大家知道，物质是由原子组成的。原子的中心是一个带正电荷的原子核，在核的外面，象行星绕日一样地绕行着一些带负电的微粒——电子。元素不同，原子中所含的电子数也就不同。但是原子核所带的正电荷总是等于核外所有电子所带的负电荷，所以整个原子是呈中性的。绕原子核运动的电子可以有好几层，其中最外层的电子由于距核较远，受核的束缚较小，活动性最强，元素的物理、化学性质和电离作用都是由这些最外层的电子决定的，这些电子就叫做价电子。

锗的原子有32个电子，而最外层的价电子是四个，所以在化学上就叫做四价元素。内层的28个电子与原子核紧密地结合在一起，成为一个整体，称为原子根，它带有四个正电荷。在纯净的锗晶体中，锗原子彼此靠得很近，组成格子形的结构，一般称这种结构叫晶体点阵（见图1a）。在锗晶体点阵中每个原子周围有四个等距的原子。相邻两个原子各出一个价电子组成一个共价键，如图1a所示。为了简单起见，可以把它画成如图1b的平面示意图。

共价键中的两个价电子同时受到两个原子根的吸引力的束缚。结合极紧，不有自由运动。在温度极低时（接近-273℃时），锗晶体中的所有价电子都组织在共价键中，即使加上电场, 电子也不能作定向运动,即没有电流流通。这好象图2中所示的方盒子里挤满了小球，即使把方盒倾斜，小球也不会滚动。所以这时的锗晶体是绝缘体。

在平常的温度下，锗晶体内共价键中的部分价电子由于热运动获得一定能量,摆脱了共价键的束缚，变成能够自由运动的自由电子。而这个价电子原来所在的地方就出现了一个空位。这个电子的空位叫做空穴，如图3所示。每一个原子都是中性的。由于带负电荷的电子脱离共价键而形成的空穴可以看成是带正电荷的，它的电荷量等于一个电子电荷。由于热运动的结果，空穴邻近的价电子就有可能跳过来填补这个空穴，而使这个价电子原来所在的地方出现了一个空穴（图4）。这就是说空穴也是可以自由移动的。这种情况就好象把图2方盒中的某个小球加以能量而提升到上层一样（图5a）。

这时不但上层的小球（代表自由电子）可以自由移动，而且小球原来的地方有了空位子（代表空穴），其它小球也就可能移动了。例如，球3可以从位置丙移到乙，这就相当于空位由乙移到丙（图5b）；随后，球4可以从丁移到丙，而空位就由丙移到丁了（图5c）。这时，如果在锗晶体的两端加上电压，自由电子就向电压正端移动，形成电子电流，这样的导电方式叫做电子导电；另一方面，带正电荷的空穴就向电压负端移动，形成空穴电流，这样的导电方式叫做空穴导电（见图6a）。这种情况就好象将图5中的小方盒倾斜后，小球向下移动，空位向上移动的情况一样（图6b）。电子和空穴移动所形成的电流方向相同，所以半导体是导电的。由于电子和空穴是半导体中电流的搬运者，所以统称为载流子。

当温度升高时，有更多的价电子脱离共价键的束缚，产生更多的自由电子和空穴对，导电性能就越好。因此，半导体的电阻随温度的升高而减小。

在纯净的锗晶体中掺入少量的五价无素砷（或锑）。这砷元素对纯净的锗来说就是杂质了。这时锗晶体点阵中的某些锗原子将为砷原子所代替，如图7所示。砷原子有五个价电子，其中4个价电子与周围锗原子组成共价键，剩下的一个价电子只受砷原子根的吸引，而不受共价键的束缚，因此很容易脱禽砷原子而变成自由电子。结果在这决掺有砷原子的锗晶体中将出现大量的自由电子，比原来由于热运动而产生的电子和空穴要多得多。因此半导体掺入杂质后，电阻要减小很多。这块锗晶体中占绝大多数的自由电子称为多数载流子，而由于热运动而产生的少量空穴叫做少数载流子。这块以自由电子为主要载流子的半导体叫做电子半导体，或叫N型半导体。这里掺入的杂质砷元素能给出一个电子，所以叫做施主杂质。

和上面的情况相反，如果掺入锗晶体中的是三价的元素钢（或镓），那么，当铟原子代替锗晶体点阵中的锗原子组成共价键时，就缺少一个价电子，即出现了一个空穴。如图8所示。因此，在掺有铟元素的锗晶体中，将出现大量的空穴，能以空穴导电的方式传导电流，所以电阻要减小很多。这种半导体叫做空穴半导体，或叫P型半导体。在P型半导体中，空穴成了多数载流子，而由于热运动而产生的少量自由电子是少数载流了。掺入的杂质元素铟能接受一个电子，所以叫做受主杂质。

将一块P型半导体和一块N型半导体紧密的结合在一起，其结合处称为PN结。PN结具有单向导电的性有。晶体二极管就是利用这样的PN结构成的。

图9画出了一个PN结。左面P型半导体中的空穴密度很大，它们就向空穴密度小的N型半导体中扩散。而N型半导体中的电子就向电子密度小的P型半导体中扩散。结果在交界面附近，P型半导体中的空穴减少了，剩下不能移动的受主杂质负离子；靠近交界面的N型半导体中的电子减少了，剩下不能移动的施主杂质正离子。这样在PN结交界面附近，就形成了一个载流子密度很低的区域（图9中的I－1区域），这个区域叫做阻挡层，它阻止P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子向对方扩散。

现在在PN结上加一个电压U。如果P端接正，N端接负（图10），那么，这电压所产生的电场使P型半导体中的空穴向右移动，使N型半导体中的电子向左移动。由于载流子都向阻挡层的方向移动，所以使阻挡层变窄。如果作用的电压足够高，阻挡层就会完全消失。这时P—N结呈现的电阻很小电流很容易流通，就好象二极电子管的屏极接正，阴极接负的情况一样。这时所加的电压称为正向电压。

相反地，如果N端接正，P端接负（图11），那么，P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子都沿着离开阻挡层的方向向西端移动，结果使阻挡层变宽，使PN结的电阻加大，电流很难流通，就好象二极电子管的屏极接负，阴极接正的情况一样。这时所加的电压称为反向电压。

由此可见，PN结沿正方向和沿反方向的导电性能很不相同。外加电压和半导体内通过的电流的关系，可用图12的曲线来表示。这种曲线是用伏特安培数值画出的，所以又叫伏安特性曲线。当加上正向电压时（如图12的右面部分），即使电压很小，电路中的正向电流也比较大；而加上反向电压时（如图12的左面部分），即使电压很大，电路中的反向电流也是很小的。所以当在P—N结上加一个交流电压时，正方向的电流很容易通过，反方向的电流很准通过，这样就完成了整流或检波的作用。

利用PN结的单向导电性能，就可以做成晶体二极管。按照结构的不同，晶体二极管可以分为点接触型和面接触型（又叫结合型）两种。点接触型晶体二极管允许通过的电流很小，极间电容也很小，适于高频检波用。面接触型晶体二极管允许通过的电流较大，极间电容也较大，所以适用于整流。（李华金）