半导体二极管和三极管是最常用的电子器件，本章主要介绍它们的基本结构、工作原理、特性及主要参数，这是学习电子技术和分析电子电路所必备的基础；而PN结又是构成各种半导体器件的共同基础，同时简单介绍了传感器的种类、结构、原理及应用。
6-1半导体
所谓半导体，就是它们导电能力介于导体和绝缘体之间，也就是半导体的原子结构最外层都是４个电子。如硅（Si）、锰（Mn）等及它们的氧化物。半导体对温度特别敏感，环境温度升高时，它们的导电能力要增强很多，因此利用这种特性就制成了各种热敏电阻。又如有些半导体（如镉，铅等的硫化物）受到光照时，它们的导电能力变得很强，当无光照时，又变得与绝缘体一样不导电，利用这种特性制成光敏电阻。
更重要的是：如果在纯净的半导体中掺入某种微量杂质元素后，其导电能力就会大幅度增加，例如在纯净硅中掺入百万分之一的硼元素（B），硅的电阻率就从大约２·１０３·m减小到４·１０－３·m左右。利用这种特性就制成了各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管、场效应管及晶闸管等。
为什么半导体掺入微量杂质元素后其导电能力会有很大增加呢？主要在于其内部特性。
下面介绍半导体的内部结构和导电机理。
６-１-１本征半导体
最常用的半导体是硅和锗。如图６-１所示是硅和锗的原子结构图，它们的原子核最外层都有４个价电子，都是４价元素，如将硅、锗材料提纯并形成单晶体后，所有原子便基本上整齐排列，其立体结构示意图与平面示意图分别如图６-２和图６-３所示，半导体一般都具有这种晶体结构，所以半导体也称为单晶体，这种纯净半导体称为本征半导体，这就是晶体管名称的由来。
在本征半导体中，当每一个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成一个公用电子对时，这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻的原子结合起来，构成共价键结构。
在原子结构中，原子最外层有８个电子处于稳定状态，但在共价键结构中，显然也有８个电子处于较稳定状态，但在共价键结构中的电子不像绝缘体中的价电子被束缚的那样牢固，当获得一定能量（如温度升高或光照）时，很可能挣脱原子核的束缚（电子受激发）成为自由电子，温度愈高晶体中产生自由电子的数目越多。
在电子挣脱原子核的束缚成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴；在一般情况下，原子的中性便被打破而显正电。而具有空穴的原子又可以吸引相邻原子的价电子，填补这个空穴。同时，失去价电子的相邻原子的共价键中又出现了一个空穴，它也可以由相邻原子中的价电子来递补，如此继续下去，就好像自由电子和空穴都在运动，然而这种运动是杂乱无章的，如图６-４所示。但在电场作用下，空穴和自由电子的运动方向相反，空穴向电源负极运动，相当于正电荷的运动而形成电流（空穴电流）；而自由电子向电源正极运动也形成电流（电子电流）。这里自由电子和空穴统称为载流子。
因此，当半导体两端加上外电压时，半导体中将出现两部分电流，这就是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属导体在导电原理上的本质差别。
本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合。在一定温度下，当载流子的产生和复合达到动态平衡时，于是半导体中的载流子（自由电子和空穴）便维持一定数目。温度越高，载流子数目越多，导电性越好，所以温度对半导体器件的性能影响很大。
６-１-２N型半导体和P型半导体
一般情况下，本征半导体的载流子数目很少，导电能力也差，如果在本征半导体中掺入微量的杂质元素，这将使掺杂后的半导体（杂质半导体）的导电能力大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可分为两大类，即N型半导体和P型半导体。
1-N型半导体
在硅（或锗）的晶体中掺入磷（或其他的５价元素）时。磷的原子最外层有５个价电子，由于掺入硅（或锗）晶体的磷原子数目比硅原子的数目少得多，所以不会改变整个晶体的基本结构，只是某些位置上的硅（或锗）原子被磷原子取代，磷原子参加共价键结构只需４个价电子，多余的第５个电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子，如图６-５所示。
图６-５硅晶体中掺入磷形成N型半导体于是半导体中的自由电子数目大大增加，因此这种半导体主要以自由电子导电为主，故N型半导体被称为电子半导体。在N型半导体中，自由电子是多数载流子，而空穴则是少数载流子。
2-P型半导体
在硅（或锗）的晶体中掺入少量的硼（或其他３价元素）。每个硼原子只有３个价电子，在构成共价键结构时，将缺少一个电子而产生一个空位（空穴），当相邻原子中的价电子受到激发得到能量时，就有可能填补这个空穴，而在该相邻的原子中出现一个空穴，如图６-６所示，每个硼原子都能提供一个空穴，于是在半导体中就出现了大量空穴，因此这种半导体以空穴导电为主，称为P型半导体或空穴半导体。在P型半导体中多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子。
注意：不论N型或P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体还是中性的。
６-１-３PN结
P型或N型半导体的导电能力虽然大大增强，但必须用特殊工艺将它们结合起来，这种工艺称为反型工艺。即在一块N型（或P型）半导体局部再掺入高浓度的３价（或５价）杂质元素。在N型半导体和P型半导体的分界面就形成了PN结。
1-PN结的形成
当P型半导体和N型半导体结合在一起时，在交界面处就出现自由电子和空穴的浓度差，P型区空穴浓度大，N型区自由电子浓度大，由于浓度差别，自由电子和空穴都要从浓度高的区域向浓度低的区域扩散。于是在交界面附近形成了自由电子和空穴的扩散运动，N型区有一些自由电子向P型区扩散并与空穴复合，而P型区也有空穴向N型区扩散并与电子复合。扩散运动的结果是在交界面附近的P型区一侧失去了一些空穴面留下带负电的杂质离子（电子），N型区一侧失去了一些自由电子而留下了带正电的杂质离子（空穴），这样，在P型半导体和N型半导体交界面的两侧形成了一个空间电荷区（也称耗尽层），这个空间电荷区称为PN结，或称内电场，其方向是由N型区指向P型区，如图６-７所示。
空间电荷区的形成对进一步的扩散运动起到了阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。
但另一方面，内电场对少数载流子（P型区中的自由电子和N型区中的空穴）则可推动它们越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场的作用下有规则的运动称为漂移运动。扩散运动和漂移运动是相互矛盾的，少数载流子的漂移运动便使空间电荷区变窄，在PN结形成过程中，初期空间电荷区电荷较少，内电场不强，扩散运动占优势。随着多数载流子的不断扩散，空间电荷不断加宽，内电场也加强，这就使多数载流子的扩散运动减弱，而少数载流子的漂移运动却逐渐加强，最后，当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时。空间电荷区的宽度基本确定，PN结处于基本稳定状态。
2-PN结的单向导电性
以上讨论的是PN结在没有外加电压的情况下，当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，PN结的宽度相对确定，如果在PN结两端加上电压，会是什么情况呢？
１）PN结给正向偏置（正偏）
当PN结的P区接外电源正极，N区接外电源负极，称为正向偏置，如图６-８所示。
由图可见，外电压在PN结上形成外电场，此时外电场与PN结内电场的方向相反。在外电场的作用下，载流子的扩散运动和漂移运动的平衡被打破，外电场驱使P区中是多数载流子（空穴）和N区中的多数载流子（自由电子）都向PN结运动。当P区空穴进入PN结后，就要与PN结中P区的负离子复合，使P区的电荷量减少；同时，当N型区自由电子进入PN结后，就要与PN结中的正离子复合，使N区中的电荷减少。结果PN结变窄，于是N区的自由电子不断地扩散到P区，形成扩散电流。
然而，当外电压较小时，并不能完全削弱内电场，此时，只有很小的电流，只有外电压增加到某一值时，才产生较大的扩散电流，该电压称PN结的死区电压，一般硅材料为０-７V，锗材料为０-３V，由上可知，PN结正向偏置时导通电流很大（外加电压大于死区电压时）。
２）PN结的反向偏置（反偏）
当PN结的P区接外加电源负极，N区接外加电源正极时称反向偏置，如图６-９所示。
由图可见，此时外电场的方向与PN结内电场的方向相同，在外电场作用下，多数载流子将背离PN结。即P区中的空穴和N区中的自由电子都将从原来的PN结附近移去，使空间电荷区增加，空间电荷区变宽，内电场增强，因此P型区和N型区的多数载流子就更难越过PN结，但是由于内电场增强，使少数载流子更容易产生漂移运动，这样，PN结原来的扩散与漂移也被打破，此时扩散电流趋近于零，而在内电场的作用下，N型区中的少数载流子（空穴）越过PN结进入P区；P型区中的少数载流子（自由电子）越过PN结进入N型区，于是在外电源的作用下形成了连续不断的由N型区流向P型区的电流，称为反向电流，反向电流是由少数载流子在反向电压作用下的漂移运动形成的。由于少数载流子的浓度很小，形成反向电流也很小，一般为微安级。
但是，随着环境温度的升高，少数载流子的浓度也愈大，反向电流也愈大，所以反向电流的数值取决于温度，即几乎与外加电压大小无关。这是因为在一定温度下，少数载流子的数量是一定的，只要在一定的反向电压作用下就可以使所有的少数载流子全部都漂移过PN结而形成反向电流，即使电压再增加，也不会使反向电流增加，因而反向电流趋于恒定，此时的反向电流称为反向饱和电流。
由于反向电流很小，所以在PN结反向偏置时，可以认为基本上不导通或称截止，表现很大电阻性。
由上述可知，PN结正偏时导通，电阻很小，电流很大；反偏时截止，电阻很大，电流很小，这就是PN结的单向导通性。
6-2二极管
６-２-１二极管的基本结构
将PN结加上相应的封装并引出两根电极就构成了二极管。目前的封装有金属封装、塑料封装和玻璃封装等。P区引出的线称为阳极，用“＋”表示；从N区引出的线称阴极，用“－”表示。
按结构分二极管有点接触型和面接触型。点接触型一般为锗管，如图６-１０所示，它的PN结结面积很小，因此结电容很小，所谓结电容是PN结的P区和N区带有不同电荷，可以看成电容器的两个极板，所以把PN结的电容称为结电容。
一般点接触型适用于高频小功率的工作或数字电路中的开关元件，面接触型一般为硅管，它的PN结结面积很大（结电容大），故可通过较大电流。
６-２-２二极管的伏安特性
二极管的伏安特性就是加在二极管两端的电压与流过二极管电流之间的关系。即I＝f（u），如图６-１１所示为硅二极管和锗二极管的实际伏安特性曲线。由图可见，二极管的伏安特性是非线性的，说明二极管是非线性元件。
1-正向特性
在图６-１１中曲线①的部分为正向特性，由图可见，在外加正向电压较小时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场对多数载流子扩散运动的阻挡作用。所以，此时正向电流很小，几乎为零，二极管呈现出很大的电阻。
电流几乎为零的范围称为死区电压或阈值电压，用UT来表示，一般硅极管的死区电压为０-７V，锗二极管的死区电压为０-３V。
当正向电压超过死区电压后，PN结内电场被大大削弱，电流急剧增加，二极管处于正向导通状态，此时二极管的电阻很小，其电压降也很小，一般约为死区电压。
2-反向特性
图中曲线②的部分为反向特性。二极管加反向电压时，由少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在一定电压范围内基本不随反向电压而变化，所以这个电流称反向电流。反向电流只随着温度升高而增加，一般硅二极管的反向电流约为１微安至几十微安，锗二极管的反向电流可达几十到几百微安。由二极管的正向特性及反向特性可以看出其单向导电性。
3-反向击穿特性
图中曲线③的部分所示，当外加反向电压达到一定值时，反向电流将突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为击穿，二极管被击穿后一般不能恢复原来的特性，便失效了。
击穿发生在空间电荷区，发生的原因一种是当反向电压高到一定数值时，因外电压过强，而把共价键中的价电子强行拉出，造成很大的反向电流；另一种是强电场引起自由电子加速后与原子碰撞，将价电子轰击出共价键而产生新的电子空穴对，使少数载流子的数量增加，形成很大的反向电流。反向击穿电压用UBR来表示。
６-２-３二极管的主要参数
二极管的参数是表征二极管的性能及其适用范围的重要数据，是选择、使用二极管的主要依据。
1-最大整流电流IOM
它是指二极管长期工作时，允许通过二极管的最大正向整流电流，使用时不能超过最大整流电流，否则会使二极管迅速损坏。
2-最大反向工作电压URM
它是指二极管不被击穿所允许的最大反向电压，一般取击穿电压的１／３～２／３作为最大反向电压URM。
3-最大反向电流IRM
它是指二极管加最大反向电压时的反向电流。反向电流越小，管子的单向导电性越好。
６-２-４二极管的主要应用
二极管的应用范围很广，主要利用它的单向导电性，如整流、检波、限幅、钳位、隔离和元件保护及数字电路中作为开关元件等。
1-整流
利用二极管的单向导电性可将交流电压变为脉动的直流电压，称为整流，如图６-１２所示。在正半周时，二极管导通（理想二极管相当于短路），在负半周时，二极管截止（理想二极管相当于开路）。
2-检波
电台发射的信号有音频和载波（高频交流波）。只有把音频信号附在载波上才能发射得更远，而接收装置（如收音机、电视机等）是把音频和载波一起接收。如何把载波去掉，留下有用的音频信号就称为检波，如图６-１３所示。
3-限幅
限幅的作用是限制输出电压的幅度，如图６-１４所示，设ui为正流波，Us为限幅电压，且UsUm。
Us，称为正向限幅电路。
4-钳位与隔离
当二极管正向导通时，由于正向压降很小，可以忽略，所以强制使其阳极电位与阴极电位基本相等，这种作用称为二极管的钳位作用。
当二极管加反向电压截止时，相当于开路，阳极与阴极断开，称二极管的隔离作用。如图６-１５所示电路。
