1.1.1 半導體的特性
自然界的各種物質，根據其導電能力的差別，可以分為導體、絕緣體和半導體三大類。
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半導體的特性
矽原子的序數是14、原子核外有14個電子，最外層有4個電子，稱為價電子，帶4個單位負電荷。通常把原子核和內層電子看作乙個整體，稱為慣性核。慣性核帶有4個單位正電荷，最外層有4個價電子帶有4個單位負電荷，因此，整個原子為電中性。
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1.1.2 本徵半導體
在本徵半導體的晶體結構中，每乙個原子與相鄰的四個原子結合。每乙個原子的價電子與另乙個原子的乙個價電子組成乙個電子對。這對價電子是每兩個相鄰原子共有的，它們把相鄰原子結合在一起，構成所謂共價鍵的結構。
一般來說，共價鍵中的價電子不完全像絕緣體中價電子所受束縛那樣強，如果能從外界獲得一定的能量（如光照、公升溫、電磁場激發等），一些價電子就可能掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子，這種物理現象稱作為本徵激發，價電子受激發掙脫原子核的束縛成為自由電子的同時，在共價鍵中便留下了乙個空位子，稱「空穴」。如圖所示。
當空穴出現時，相鄰原子的價電子比較容易離開它所在的共價鍵而填補到這個空穴中來，使該價電子原來所在共價鍵中出現乙個新的空穴，這個空穴又可能被相鄰原子的價電子填補，再出現新的空穴。價電子填補空穴的這種運動無論在形式上還是效果上都相當於帶正電荷的空穴在運動，且運動方向與價電子運動方向相反。為了區別於自由電子的運動，把這種運動稱為空穴運動，並把空穴看成是一種帶正電荷的載流子。
在本徵半導體內部自由電子與空穴總是成對出現的，因此將它們稱作為電子-空穴對。
當自由電子在運動過程中遇到空穴時可能會填充進去從而恢復乙個共價鍵，與此同時消失乙個「電子-空穴」對，這一相反過程稱為復合。
在一定溫度條件下，產生的「電子空穴對」和復合的「電子空穴對」數量相等時，形成相對平衡，這種相對平衡屬於動態平衡，達到動態平衡時，「電子-空穴對」維持一定的數目。
可見，在半導體中存在著自由電子和空穴兩種載流子，而金屬導體中只有自由電子一種載流子，這是半導體與導體導電方式的不同之處。
當溫度公升高時，本徵激發產生的「電子—空穴」對數目增多。因此，半導體載流子濃度受溫度影響比較大。
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1.1.3 雜質半導體
1、n型半導體
磷原子最外層有5個價電子，它與周圍的4個矽原子組成4對共價鍵，還多餘1個價電子，它只受磷原子對它微弱的束縛，因此它很容易掙脫束縛而成為自由電子，磷原子失去乙個電子而成為不能移動的正離子。磷原子由於可以釋放1個電子而被稱為施主原子，又稱施主雜質。
在本徵半導體中，每摻入1個磷原子就可產生1個自由電子，而本徵激發產生的空穴的數目不變。這樣，在摻入磷的半導體中，自由電子的數目就遠遠超過了空穴數目，成為多數載流子（簡稱多子），空穴則為少數載流子（簡稱少子）。顯然，參與導電的主要是電子，故這種半導體稱為電子半導體，也稱為n型半導體。
n型半導體特點：
摻雜：五價元素
自由電子—多數載流子，主要由摻雜質產生
空穴—少數載流子，由本徵激發產生
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2、p型半導體
硼原子的3個價電子分別與其鄰近的3個矽原子中的3個價電子組成完整的共價鍵，而與其相鄰的另1個矽原子的共價鍵中則缺少1個電子，出現了1個空穴。這個空穴被附近矽原子中的價電子來填充後，使3價的硼原子獲得了1個電子而變成負離子。同時，鄰近共價鍵上出現1個空穴。
由於硼原子起著接受電子的作用，故稱為受主原子，又稱受主雜質。
在本徵半導體中每摻入1個硼原子就可以提供1個空穴，當摻入一定數量的硼原子時，就可以使半導體中空穴的數目遠大於本徵激發產生的電子的數目，成為多數載流子，而電子則成為少數載流子。顯然，參與導電的主要是空穴，故這種半導體稱為空穴型半導體，簡稱p型半導體。
p型半導體特點：
摻雜：三價元素
空穴—多數載流子，主要由雜質原子提供
自由電子—少數載流子，由本徵激發產生
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1.2 pn結
pn結是構成各種半導體器件的核心。許多半導體器件都是用不同數量的pn結構成的，所以pn結的理論是半導體器件的基礎。
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1.2.1 pn結的形成
由於p區的多數載流子是空穴，少數載流子是電子；n區多數載流子是電子，少數載流子是空穴，這就在交介面兩側明顯地存在著兩種載流子的濃度差。因此，n區的電子必然越過介面向p區擴散，並與p區介面附近的空穴復合而消失，在n區的一側留下了一層不能移動的正離子；同樣，p區的空穴也越過介面向n區擴散,與n區介面附近的電子復合而消失，在p區的一側，留下一層不能移動的負離子。擴散的結果，使交介面兩側出現了由不能移動的帶電離子組成的空間電荷區，因而形成了乙個由n區指向p區的電場，稱為內電場。
隨著擴散的進行，空間電荷區加寬，內電場增強，由於內電場的作用是阻礙多子擴散，促使少子漂移，所以，當擴散運動與漂移運動達到動態平衡時，將形成穩定的空間電荷區，稱為pn結。由於空間電荷區內缺少載流子，所以又稱pn結為耗盡層或高阻區。
1.2.2 pn結的單向導電性
pn結在未外加電壓時，擴散運動與漂移運動處於動態平衡，通過pn結的電流為零。
在pn結兩端外加不同極性的電壓時，就打破了原來的動態平衡，而呈現出單向導電的特性。
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一、pn結外加正向電壓(正向偏置）
當p區接電源正極、n區接電源負極時，稱pn結外加正向電壓（或稱正向偏置），如圖所示。
由於pn結是高阻區，而p區和n區的電阻很小，所以正向電壓幾乎全部加在pn結兩端。在pn結上產生乙個外電場，其方向與內電場相反，在它的推動下，n區的電子要向p區擴散，並與原來空間電荷區的正離子中和，使空間電荷區變窄。同樣，p區的空穴也要向n區擴散，並與原來空間電荷區的負離子中和，使空間電荷區變窄。
結果使內電場減弱，破壞了pn結原有的動態平衡。於是擴散運動超過了漂移運動，擴散又繼續進行。與此同時，電源不斷向p區補充正電荷，向n區補充負電荷，結果在電路中形成了較大的正向電流if。
而且if隨著正向電壓的增大而增大。
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二、pn結外加反向電壓(反向偏置）
當p區接電源負極、n區接電源正極時，稱pn結外加反向電壓（或稱反向偏置），如圖所示。
反向電壓產生的外加電場的方向與內電場的方向相同，使pn結內電場加強，它把p區的多子（空穴）和n區的多子（自由電子）從pn結附近拉走，使pn結進一步加寬，pn結的電阻增大，打破了pn結原來的平衡，在電場作用下漂移運動大於擴散運動。這時通過pn結的電流，主要是少子形成的漂移電流，稱為反向電流ir。由於在常溫下，少數載流子的數量不多，故反向電流很小，而且當外加電壓在一定範圍內變化時，它幾乎不隨外加電壓的變化而變化，因此反向電流又稱為反向飽和電流。
當反向電流可以忽略時，就可認為pn結處於截止狀態。
由於本徵激發隨溫度的公升高而加劇，導致電子-空穴對增多，因而反向電流將隨溫度的公升高而成倍增長。
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1.2.4 pn結的電容效應
pn結兩端的電壓變化時，pn結內的電荷有變化，說明pn結具有電容效應。
pn結的電容效應表現為兩種：勢壘電容和擴散電容。
勢壘電容是由空間電荷區的離子薄層形成。pn結的偏置電壓改變時，空間電荷區的寬度隨之變化，電荷量也隨之變化，類似於電容的充放電，pn結的這種電容效應用勢壘電容等效。
擴散電容是由多子擴散後，在pn結的另一側面積累而形成的。當pn結加正向電壓時，n區的電子擴散到p區，同時p區的空穴也向n區擴散，多子的擴散運動，使pn結兩側的電荷積聚起來。若pn結正向電壓加大，則多子的擴散運動加強，積累的電荷增加；若pn結正向電壓減小，則多子的擴散運動減弱，積累的電荷也將減少，這種電容效應用擴散電容來等效。
pn結小結
綜上所述，pn結正偏時，正向電流較大，相當於pn結導通；反偏時，反向電流很小，相當於pn結截止。這就是pn結的單向導電性。
pn結電流i與電壓u的關係可寫成
is—反向飽和電流
ut—溫度的電壓當量， 常溫下ut=26mv
關係特性如圖所示。
1.3 半導體二極體
1.3.1 基本結構及分類
半導體二極體也稱晶體二極體，它是在pn結上加接觸電極、引線和管殼封裝而成的。按其結構不同，通常有點接觸型、面接觸型和平面型三類。
按使用的半導體材料分：矽二極體和鍺二極體；
按用途分：普通二極體、整流二極體、檢波二極體、穩壓二極體、開關二極體、變容二極體、光電二極體等。
1.3.2 二極體的特性
主要特性：單向導電性，通常用伏安特性表示。
伏安特性：是指流過二極體的電流i與加於二極體兩端的電壓u之間的關係曲線。
如圖所示
一．正向特性(u>0)
1.0i=0——死區,二極體截止。uth死區電壓（門限電壓）
矽管：uth=0.5v
鍺管：uth=0.1v
2.u>uth
正向電流隨正向電壓幾乎線性增長，二極體導通。
正向電流隨正向電壓線性增長時所對應的正向電壓，稱為二極體的正嚮導通電壓，用uf來表示。
矽管：uf=（0.6~0.8）v,一般取0.7v。
鍺管：uf =（0.1~0.3）v,一般取0.2v。
二.反向特性（u<0）
反向電壓較小時，i=is=0,二極體反向截止。
is—反向飽和電流
反向電壓達到ubr時，反向電流劇增，二極體被反向擊穿。
ubr——反向擊穿電壓
ubr視不同二極體而定，普通二極體一般在幾十伏以上，且矽管較鍺管為高。
三.二極體的溫度特性
二極體是溫度敏感器件，溫度的變化對其伏安特性的影響主要表現為：隨著溫度的公升高，其正向特性曲線左移，即正向壓降減小；反向特性曲線下移，即反向電流增大，如圖所示。一般在室溫附近，溫度每公升高1℃，其正向壓降減小2～2.
5mv；溫度每公升高10℃，反向電流大約增大1倍左右。
綜上所述，二極體的伏安特性具有以下特點：
1.二極體具有單向導電性；
2.二極體的伏安特性具有非線性；
3.二極體的伏安特性與溫度有關。
1 1半導體基礎知識
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