半导体有源元件二极管、三极管、FET的基础知识

　　导电能力介于导体与绝缘体之间的物质 - 半导体
　　硅和锗是位于银、铝等导体和石英、陶瓷等绝缘体之间，用于制造半导体器件的原材料，具有一定电阻率。不同的物质其产生的不同电阻率是由于可移动的电子量不同引起的。这种可移动电子叫“自由电子”。一般我们把可以通过向其摻入杂质来改变自由电子的数量，并可控制电流动的物质称为半导体。
　　根据电流流动的构造，可将半导体分为N型和P型两类。

　　半导体的电流流通原理
　　（1） N型半导体
　　图1是在硅晶体中掺入杂质磷（P）元素的概要图。磷原子持有的5个价电子中4个和硅（Si）原子一样，通过共价键，与邻接原子紧密结合。剩下1个价电子不发生共价键，而是根据室温高低成为自由电子。这个自由电子将旁边的价电子赶出，取代它的位置，而原有价电子变为自由电子，再将旁边的其他价电子赶出。通过这样的重复过程，使自由电子不断移动从而形成电流。由电子作为载流子（输送电流）的半导体称为“N型半导体”。施主原子的电子不足时，带正电荷。
　　
　　图1 N型半导体结构
　　（2） P型半导体
　　图2是在硅晶体中掺入杂质硼元素的概要图。硼元素具有3个价电子，与硅相比少1个价电子。邻接硅原子中的价电子通过微量热能变为自由电子，被受主原子吸收。被吸收的价电子的原有位置称为空穴，进一步吸收邻接硅原子中的价电子。通过这个重复过程， 空穴移动，产生电流。由空穴作为载流子的半导体称为“P型半导体”。受主原子的电子过多，因而带负电荷。
　　
　　图2 P型半导体结构

　　二极管为单向传导的电子器件
　　二极管是由P型半导体和N型半导体形成的，构造简单。P型和N型结界面周围，各个载流子扩散并结合，从而出现了不存在载流子的区域。在这个区域里，带电的杂质形成势垒电场，通过阻止载流子扩散阻碍结合。我们将这个不存在载流子的势垒电场称为耗尽层。
　　
　　图3 PN结二极管的结构
　　在二极管的两端，P型区域外加正电压，N型区外加负电压，向耗尽层变窄的方向上加入能量，则载流子极易向两边漂移，再次产生复合，因复合而消失的载流子被外加电压的电流补给，形成定向电流。与此相反，当在P型区域外加负电压，N型区外加正电压时，向载流子被电极吸引的方向上加入能量，则耗尽层变宽，电流几乎不再流动。上述电流单向流动即为二极管的基本原理—整流作用。易于电流流动的方向称为正向，不易电流流动的方向称为反向。

　　二极管的电压电流特性
　　二极管的电压电流特性如图4所示。需要注意的是，即使是正向，如不外加一定程度电压，电流还是不会流动的。硅二极管所需外加电压为0.7～0.8V，肖特基二极管约为0.2V，发光二极管（LED ）为2～5V以上，能让电流正向流动。在反向上外加一定电压时，也可突然产生电流，这种现象称之为击穿。击穿电压几乎不受电流影响，因此常用做定电压源。
　　
　　图4 二极管的电压电流特性