如果電阻是電氣或電子電路中最基本的無(wú)源元件，那么我們必須將信號(hào)二極管視為最基本的有源元件。
然而，與電阻器不同，二極管相對(duì)于施加的電壓不表現(xiàn)為線性，因?yàn)樗哂兄笖?shù)IV關(guān)系，因此不能像我們對(duì)電阻器那樣簡(jiǎn)單地使用歐姆定律來(lái)描述。
二極管是基本的單向半導(dǎo)體器件，其僅允許電流僅在一個(gè)方向上流過(guò)它們，更像單向電子閥（正向偏置條件）。但是，在我們了解信號(hào)或功率二極管如何工作之前，我們首先需要了解半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)和概念。
二極管由單片半導(dǎo)體材料制成，其一端具有正“P區(qū)”而另一端具有負(fù)“N區(qū)”，并且其電阻率值介于導(dǎo)體和絕緣體之間。但什么是“半導(dǎo)體”材料呢？首先讓我們來(lái)看看導(dǎo)電器或絕緣體是什么。
抵抗力
電性的電氣或電子部件或裝置的通常被定義為是通過(guò)它的電流流過(guò)它，基本的電壓差的比率Ohm's法主體。使用電阻作為測(cè)量的問(wèn)題在于，它很大程度上取決于被測(cè)材料的物理尺寸以及制造它的材料。例如，如果我們要增加材料的長(zhǎng)度（使其更長(zhǎng)），其阻力也會(huì)按比例增加。
同樣，如果我們?cè)黾悠渲睆交虺叽纾ㄊ蛊涓瘢潆娮柚祵p小。因此，我們希望能夠以這樣的方式定義材料，以指示其能夠?qū)е禄蚍磳?duì)通過(guò)它的電流流動(dòng)，無(wú)論其大小或形狀如何。
用于表示這種特定阻力的數(shù)量稱為電阻率，并給出希臘符號(hào)ρ，（Rho）。電阻率以歐姆 - 米（Ω.m）為單位測(cè)量。電阻率與電導(dǎo)率成反比。
如果比較各種材料的電阻率，它們可以分為三個(gè)主要類別，導(dǎo)體，絕緣體和半導(dǎo)體，如下所示。
電阻率圖
請(qǐng)注意，導(dǎo)體的電阻率（如銀和金）之間的差距非常小，而玻璃和石英之間的絕緣體的電阻率要大得多。
電阻率的這種差異部分地歸因于它們的環(huán)境溫度，因?yàn)榻饘偈潜冉^緣體更好的導(dǎo)熱體。
導(dǎo)線
從上面我們現(xiàn)在知道導(dǎo)體是具有非常低的電阻率值的材料，通常是每米微歐姆。這個(gè)低值允許它們?nèi)菀椎貍鬟f電流，因?yàn)樵谒鼈兊幕驹咏Y(jié)構(gòu)內(nèi)有大量自由電子漂浮。但是，如果有東西刺激它們的運(yùn)動(dòng)，這些電子只會(huì)流過(guò)導(dǎo)體，而某些東西就是電壓。
當(dāng)向材料施加正電壓電勢(shì)時(shí)，這些“自由電子”離開(kāi)它們的母原子并一起穿過(guò)材料形成電子漂移，通常稱為電流。這些電子如何“自由地”穿過(guò)導(dǎo)體取決于在施加電壓時(shí)它們能夠輕易地脫離其組成原子。然后，流動(dòng)的電子量取決于導(dǎo)體具有的電阻率。
良導(dǎo)體的實(shí)例通常是金屬，例如銅，鋁，銀或非金屬，例如碳，因?yàn)檫@些材料在其外部“價(jià)殼”或環(huán)中具有非常少的電子，導(dǎo)致它們?nèi)菀妆蛔渤鲈拥能壍馈?br />
電纜圖—使用導(dǎo)體和絕緣體
這允許它們?cè)诓牧现凶杂闪鲃?dòng)直到它們與其他原子結(jié)合，從而通過(guò)材料產(chǎn)生“多米諾效應(yīng)”，從而產(chǎn)生電流。銅和鋁是電纜中使用的主要導(dǎo)體，如圖所示。
一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)金屬都是良好的電導(dǎo)體，因?yàn)樗鼈兙哂蟹浅Ｐ〉碾娮柚担ǔＴ诿棵孜W姆（μΩ.m）的范圍內(nèi)。
雖然銅和鋁等金屬是非常好的電導(dǎo)體，但它們?nèi)匀粚?duì)電子流動(dòng)具有一定的抵抗力，因此不能完美地導(dǎo)電。
在通過(guò)電流的過(guò)程中損失的能量以熱的形式出現(xiàn)，這是導(dǎo)體尤其是電阻器隨著導(dǎo)體的電阻率隨環(huán)境溫度增加而變熱的原因。
絕緣子
另一方面，絕緣體與導(dǎo)體完全相反。它們由通常為非金屬的材料制成，這些材料在其基本原子結(jié)構(gòu)內(nèi)漂浮很少或沒(méi)有“自由電子”，因?yàn)橥獠績(jī)r(jià)殼中的電子被帶正電的內(nèi)核強(qiáng)烈吸引。
換句話說(shuō)，電子粘在母原子上并且不能自由移動(dòng)，所以如果向材料施加電勢(shì)，沒(méi)有電流會(huì)流動(dòng)，因?yàn)闆](méi)有“自由電子”可以移動(dòng)，這使得這些材料具有絕緣性屬性。
絕緣體還具有非常高的電阻，每米數(shù)百萬(wàn)歐姆，并且通常不受正常溫度變化的影響（盡管在非常高的溫度下，木材變成木炭并且從絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體）。良好絕緣子的例子有大理石，熔融石英，PVC塑料，橡膠等。
絕緣體在電氣和電子電路中起著非常重要的作用，因?yàn)闆](méi)有它們，電路會(huì)短路并且不起作用。例如，由玻璃或瓷制成的絕緣體用于絕緣和支撐架空傳輸電纜，而環(huán)氧玻璃樹(shù)脂材料用于制造印刷電路板，PCB等，而PVC用于絕緣電纜，如圖所示。
半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)
諸如硅（Si），鍺（Ge）和砷化鎵（GaAs）的半導(dǎo)體材料在中間的某處具有電特性，在“導(dǎo)體”和“絕緣體”之間。它們不是良導(dǎo)體，也不是良好的絕緣體（因此它們的名稱是“半導(dǎo)體”）。它們只有很少的“自由電子”，因?yàn)樗鼈兊脑泳o密地組合在一起稱為“晶格”的晶體模式，但電子仍能夠流動(dòng)，但只能在特殊條件下。
通過(guò)向該晶體結(jié)構(gòu)中替換或添加某些供體或受體原子，可以極大地改善半導(dǎo)體導(dǎo)電的能力，從而產(chǎn)生比空穴更多的自由電子，反之亦然。這是通過(guò)向基礎(chǔ)材料中添加一小部分另一種元素，硅或鍺。
在他們自己的硅和鍺被歸類為內(nèi)在半導(dǎo)體，即它們是化學(xué)純的，只包含半導(dǎo)體材料。但是通過(guò)控制添加到該本征半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)的量，可以控制其導(dǎo)電性。可以將稱為施主或受主的各種雜質(zhì)添加到該本征材料中以分別產(chǎn)生自由電子或空穴。
將供體或受體原子添加到半導(dǎo)體原子（半導(dǎo)體中每1千萬(wàn)（或更多）個(gè)原子的1個(gè)雜質(zhì)原子的順序）的這種過(guò)程稱為摻雜。由于摻雜的硅不再是純的，這些供體和受體原子統(tǒng)稱為“雜質(zhì)”，通過(guò)摻雜足夠數(shù)量的雜質(zhì)，我們可以將它變成N型或P型。半導(dǎo)體材料。
迄今為止最常用的半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料是硅。硅在其最外層殼中具有四個(gè)價(jià)電子，它與其相鄰的硅原子共享，形成八個(gè)電子的完整軌道。兩個(gè)硅原子之間的鍵的結(jié)構(gòu)使得每個(gè)原子與其相鄰的原子共享一個(gè)電子，使得鍵非常穩(wěn)定。
由于可用于在硅晶體周圍移動(dòng)的自由電子非常少，因此純硅（或鍺）的晶體是良好的絕緣體，或者至少是非常高值的電阻器。
硅原子以確定的對(duì)稱圖案排列，使其成為結(jié)晶固體結(jié)構(gòu)。純二氧化硅（二氧化硅或玻璃）晶體通常被認(rèn)為是固有晶體（它沒(méi)有雜質(zhì)），因此沒(méi)有自由電子。
但是簡(jiǎn)單地將硅晶體連接到電池電源不足以從中提取電流。為此，我們需要在硅中產(chǎn)生“正”和“負(fù)”極點(diǎn)，從而允許電子并因此電流流出硅。這些極點(diǎn)是通過(guò)在硅中摻雜某些雜質(zhì)而產(chǎn)生的。
硅原子結(jié)構(gòu)
硅原子結(jié)構(gòu)圖
上圖顯示了硅的“正常”純晶體的結(jié)構(gòu)和晶格。
N型半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)
為了使我們的硅晶體導(dǎo)電，我們需要在晶體結(jié)構(gòu)中引入諸如砷，銻或磷的雜質(zhì)原子，使其成為外在的（添加雜質(zhì)）。這些原子在其最外側(cè)軌道中具有五個(gè)外部電子以與相鄰原子共享，并且通常被稱為“五價(jià)”雜質(zhì)。
這允許五個(gè)軌道電子中的四個(gè)與其相鄰的硅原子鍵合，留下一個(gè)“自由電子”在施加電壓時(shí)（電子流）變得可移動(dòng)。當(dāng)每個(gè)雜質(zhì)原子“貢獻(xiàn)”一個(gè)電子時(shí)，五價(jià)原子通常稱為“供體”。
銻（符號(hào)Sb）以及磷（符號(hào)P）經(jīng)常用作硅的五價(jià)添加劑。銻有51個(gè)電子排列在其核周圍的五個(gè)殼中，最外面的軌道有五個(gè)電子。得到的半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料具有過(guò)量的載流電子，每個(gè)都帶有負(fù)電荷，因此被稱為N型材料，其中電子被稱為“多數(shù)載流子”，而得到的空穴被稱為“少數(shù)載流子”。
當(dāng)被外部電源刺激時(shí)，通過(guò)該刺激從硅原子釋放的電子很快被摻雜的銻原子可用的自由電子取代。但是這個(gè)動(dòng)作仍然留下一個(gè)額外的電子（自由電子）漂浮在摻雜晶體周圍，使其帶負(fù)電。
然后，當(dāng)半導(dǎo)體材料的施主密度大于其受主密度時(shí)，半導(dǎo)體材料被歸類為N型，換句話說(shuō)，它具有比空穴更多的電子，從而產(chǎn)生如圖所示的負(fù)極。
銻原子和興奮劑
銻原子結(jié)構(gòu)圖
上圖顯示了供體雜質(zhì)原子銻的結(jié)構(gòu)和晶格。
P型半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)
如果我們走另一條路，并在晶體結(jié)構(gòu)中引入“三價(jià)”（3電子）雜質(zhì)，例如鋁，硼或銦，它們的最外層軌道只有三個(gè)價(jià)電子，第四個(gè)封閉鍵不能形成。因此，不可能完全連接，為半導(dǎo)體材料提供大量帶正電的載流子，稱為晶體結(jié)構(gòu)中的空穴，其中電子有效地缺失。
由于硅晶體中現(xiàn)在有一個(gè)孔，相鄰的電子被吸引到它上面，并試圖進(jìn)入孔中填充它。然而，填充孔的電子在移動(dòng)時(shí)在其后面留下另一個(gè)孔。這反過(guò)來(lái)吸引另一個(gè)電子，該電子又在其后面產(chǎn)生另一個(gè)孔，等等給出了孔通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)作為正電荷移動(dòng)的外觀（傳統(tǒng)的電流）。
孔的這種移動(dòng)導(dǎo)致硅中的電子短缺，使整個(gè)摻雜晶體成為正極。當(dāng)每個(gè)雜質(zhì)原子產(chǎn)生空穴時(shí)，三價(jià)雜質(zhì)通常被稱為“ 受體 ”，因?yàn)樗鼈儾粩嗟?ldquo;接受”額外的或自由的電子。
硼（符號(hào)B）通常用作三價(jià)添加劑，因?yàn)樗挥形鍌€(gè)電子排列在其核周圍的三個(gè)殼中，最外面的軌道只有三個(gè)電子。硼原子的摻雜導(dǎo)致傳導(dǎo)主要由正電荷載流子組成，導(dǎo)致具有正空穴的P型材料被稱為“多數(shù)載流子”，而自由電子被稱為“少數(shù)載流子”。
然后，當(dāng)半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料的受主密度大于其供體密度時(shí)，將其歸類為P型。因此，P型半導(dǎo)體具有比電子更多的空穴。
硼原子和興奮劑
硼原子結(jié)構(gòu)圖
上圖顯示了受體雜質(zhì)原子硼的結(jié)構(gòu)和晶格。
半導(dǎo)體基礎(chǔ)摘要
N型（例如摻銻）
這些是通過(guò)“電子”運(yùn)動(dòng)添加和導(dǎo)電的五價(jià)雜質(zhì)原子（供體）的材料，因此被稱為N型半導(dǎo)體。
在N型半導(dǎo)體中有：
1.捐助者是積極的。
2.有大量的自由電子。
3.與自由電子數(shù)量有關(guān)的少量空穴。
4.興奮劑給出：
積極的捐助者。
帶負(fù)電的自由電子。
5.能源供應(yīng)給出：
帶負(fù)電的自由電子。
帶正電的孔。
P型（例如摻硼）
這些是通過(guò)“空穴”運(yùn)動(dòng)添加和導(dǎo)電的三價(jià)雜質(zhì)原子（受體）的材料，因此稱為P型半導(dǎo)體。
在這些類型的材料是：
1.受理人是負(fù)面的。
2.有很多洞。
3.與空穴數(shù)量有關(guān)的少量自由電子。
4.興奮劑給出：
負(fù)面的接受者。
帶正電的孔。
5.能源供應(yīng)給出：
帶正電的孔。
帶負(fù)電的自由電子。
P和N型作為一個(gè)整體，它們本身是電中性的。
銻（Sb）和硼（B）是兩種最常用的摻雜劑，因?yàn)榕c其他類型的材料相比，它們更容易獲得。它們也被歸類為“類金屬”。然而，周期表將許多其他不同的化學(xué)元素組合在一起，在它們最外面的軌道殼中都有三個(gè)或五個(gè)電子，使它們適合作為摻雜材料。
這些其他化學(xué)元素也可以用作硅（Si）或鍺（Ge）的基礎(chǔ)材料的摻雜劑，以產(chǎn)生用于電子半導(dǎo)體元件，微處理器和太陽(yáng)能電池應(yīng)用的不同類型的基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料。這些附加的半導(dǎo)體材料如下。
半導(dǎo)體周期表
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