P—N结和晶体二级管

早在十九世纪，人们就发现：当金属和半导体接触时，它们的交界面附近会发生单向导电现象。后来，科学家们又发现：P型（空穴型）和N型（电子型）半导体的接触会发生更显著的单向导电现象。在它们的交界面上形成一个所谓“P桸结”的结构，单向导电现象就发行在这一薄薄的P桸结中。P桸结是半导体管（或叫晶体管）的基本组成部分，必须先认识一下P桸结才可能了解半导体管的全部奥秘！

气体要充满整个空间，一滴墨水能把一杯清水染蓝，人们日常碰到的很多这样的现象，都是扩散的结果。扩散有个规律，它总是从浓度大的地方向浓度小的地方跑。我们知道，P型半导体内空穴是多数载流子，即空穴的浓度大；而N型半导体内电子是多数载流子，电子的浓度大。两者接触之后也会产生扩散现象。

如图1a所示，由于在P型区和N型区内电子的浓度不一样，N型区的电子多，就向P型区扩散，扩散的结果如图1b所示，N型区薄层Ⅰ中部分电子扩散到P型区去。薄层Ⅰ便因失去电子而带正电。另一方面，P型区的空穴多，也会向空穴浓度小的N型区扩散，结果一部分空穴从薄层Ⅱ向N型区扩散，使薄层Ⅱ带负电。

电子和空穴的扩散是同时进行的。总的结果，P型区薄层Ⅱ流走了空穴，流进了电子，所以带负电，N型区的薄层Ⅰ流走了电子，流进了空穴，因而带正电，而且随着扩散现象的继续进行，薄层逐渐变厚，所带的电量也逐渐增加。不过，这种扩散作用不能无休止地进行下去，当扩散进行到一定程度后，薄层Ⅱ带了很多负电，从N型区向P型区扩散的电子总数因电子受到它的排斥不再继续增加；同样道理，从AP型区向N型区扩散的空穴总数也不再增加，于是扩散似乎不再继续，而达到所谓“动态平衡状态”。这时P桸结也就最终形成了。

所谓P桸结，就是指薄层Ⅰ和薄层Ⅱ所构成的带电结构。因为它能阻止电子和空穴的继续扩散，所以也叫“阻挡层”。它们之间的电位差，一般叫“位垒”（或“势垒”）。

上述让P型和N型两块半导体“接触”，并不是简单地把它们靠在一起，而是采取控制杂质浓度用生长法等加工方法形成的。

要了解P桸结的导电性能，让我们先来做个实验。在图2的线路中，将P型区接电池正极，N型区接负极。向右调动电位器使加到P桸结两端的电压逐渐增高，我们发现电压表读数增高时，电流表的读数也随着增大（如表）。

此时P桸结的电阻很小，这种接法叫正向连接。

若反过来把P型区接电池负极，而N型区接正极，这时我们发现：把电压增高到几十伏，电流的指示只有几个或几十个微安，此时P桸结的电阻很大，反向电流很快就达到饱和不再增大了。这说明电流只能沿着一个方向流过晶体二极管，这就叫做“单向导电”。

怎样解释这一实验的结果呢？P桸结为什么会有这种导电特性呢？我们如果进一步研究P桸结的形成过程，就能理解它的单向导电的机理！原来P型区接正电而N型区接负电时，外加电压的方向刚好和P桸结位垒电压的方向相反，使薄层Ⅱ带的负电和薄层Ⅰ所带的正电量减少，P桸结位垒因此被削弱，于是在正电压作用下电子和空穴的扩散又可进行，N型区的电子不断跑向P型区，P型区的空穴不断跑向N型区，正向电流也就产生了。而且，正向电压加得愈高，P桸结位垒被削弱得愈厉害，扩散也就更容易进行，正向电流也就愈大。

当P桸结和电池反向联接时，外加电压起着增强P桸结位垒的作用，使薄层Ⅱ带的负电荷和薄层Ⅰ所带的正电荷增加，扩散更无法进行。这时只有P型区的少数截流子棗电子和N型区的少数载流子棗空穴，受外加电压作用形成微弱的反向电流。而少数截流子的数目不多，所以在反向电压只有零点几伏时，反向电流就达到饱和了。

P桸结还有一个十分重要的特性，即所谓反向击穿电压。当所加反向电压大到一定数值时，P桸结电阻会突然变得很小，反向电流合骤然增大，而且是无限的增大，就好像电压过高时，会将电解电容器中间的介质击穿的道理一样。这种现象叫P桸结的反向击穿，开始击穿时的电压数值叫反向击穿电压。它直接限制了P桸结用做整流和检波时的工作电压，因为一旦击穿，P桸结就被破坏不能工作了。晶体二极管还有一些特性参数，如最大正向电流、最高工作温度和P桸结电容等，就不一一叙述了。

晶体二极管广泛用在收音机和其它电子线路中作为检波和整流元件。按照结构来说，晶体二极管可以分为“点接触”和“面接触”两种。点接触晶体二极管是由一根极细的金属丝压在半导体薄片上构成的（见图3），按照所用的半导体材料和金属触丝的不同而区别为各种型号。例如国产2AP11～2AP17（Д9A～Д9Ж）型管子都是点接触锗钨二极管。而2AP1～2AP7（Д1A～Д1Ж）型管子则是点接触锗钨键二极管。

一般点接触二极管能在很高的频率下工作，不过为了提高工作频率，往往把金属丝做得很细，但这样金属丝和半导体的接触面更小，使得它不能通过很大正向电流和承受较高的反向击穿电压，因此这种二极管，不适合作整流用。

上述两种型号国产管都可以作检波和整流。它们除采用触丝材料不同外，在电性能上也有区别。前一种的正向电阻比后一种小（前一种100Ω左右，后一种约500Ω），在同样的正向电压下，前一种能给出较大的电流。例如作整流用时，2AP11～2AP17能给出15～40毫安的电流，而2AP1～2AP7只能给出十几毫安。当然由于前一种的正向电阻较小，所以检波和整流的效率都比后一种高。另外这两种晶体二极管型号的最后一部分还用数字区别出若干种不同的品种，它们之间除正向电阻略有不同外，由小数字到大数字表示允许的反向电压逐渐增高。例如2AP1的允许反向电压是20伏，而2AP7则是100伏；2AP11是10伏，而2AP17则可达100伏。不过它们都可以在收音机中用作检波，因为一般检波输入电压远小于1伏，要求的正向电流也很小，它们都能胜任。

面接触二极管（图4）较之点接触二极管能承受更高的反向电压和更大的正向电流，反向饱电流很小，适于用作整流，不过工作频率远比点接触二极管低，不能作检波用。它的结构如图4所示。

晶体二极管有比电子二极管体积小、耐震、抗冲击、寿命长、可靠性高、不需灯丝电源和效率高等优点，目前广泛用来代替电子二极管进行检波和整流。但它也有反向电阻小、单向导电性能易受温度变化的影响等缺点。例如在温度升高时，收音机的音量会大一些，但杂声也随着增大，这就是温度变化对二极管的影响造成的。很多无线电爱好者用晶体二极管代替矿石装收音机，效果要好得多。图5就是一种最典型的电路。从空中收到的无线电信号经过天线，再通过初、次级线圈加到晶体二极管上进行检波。检波后就把音频电流和高频电流分开。电容器C对高频电流阻力小，所以高频电流经过它流通。耳机对高频电流阻力大，但却对音频电流阻力小，所以音频通过耳机，变成了语言和音乐。

用两个晶体二极管可以组成全波或倍压检波电路，效果更好，由于篇幅所限这里就不多谈了。

晶体二极管的管壳如果是透明的，可以看到连接金属触丝的一端是正极。如是不透明的，可以用万能表量一下正、反向电阻，当量出比较小的正向电阻时，这时万能表负表笔接触的二极管的一端为正极。正、反向电阻相差越大越好，一般正向电阻在几百欧，反向电阻在几百千欧，表示良好。正向电阻不大过二千欧还勉强可用。（露天）