半導體基本知識

• 半導體的概念：導電性能介于導體與絕緣體之間。
• 半導體的重要物理特性：電導率，電導率與材料內單位體積中所含的電荷載流子的數目有關，電荷載流子的濃度越高，其電導率越高。
• 半導體材料還有一些特殊性質，比如，當半導體收到外界光和熱的激勵時，其導電能力將發生顯著變化；在純凈的半導體中加入微量的雜質，其導電能力會顯著變化。

本征半導體

• 概念：一種完全純凈的、結構完整的半導體晶體。
• 本征半導體的二維晶體結構，以硅為例，如圖所示，
  
• 本征激發：在溫度較低時，每一個原子的外圍電子被共價鍵所束縛，被束縛的電子對傳導電流沒有貢獻。當溫度身高時，被束縛的價電子就會獲得足夠的隨機熱振動（熱運動）能力，從而掙脫共價鍵的束縛，成為為自由電子。這種現象就是本征激發。
• 空穴：當電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子后，共價鍵中就留下一個空位，這個空位就是空穴。空穴也是半導體區分于導體的一個重要特征。 空穴在電場作用下具有吸引力，引起周圍未掙脫束縛的電子過來填充，一旦有電子過來填充就形成了新的空穴，依次循環。(因此空穴也可以導電啦）
• 自由電子：受本征激發之后，脫離共價鍵束縛的電子。（可以導電啦）
• 載流子：電流載體。由上可知，本征激發產生了兩種載流子 — 電子和空穴。本征半導體內載流子都是成對出現的。
• 復合（與本征激發相反）：自由電子在整個晶體內亂跑，那么就有一定的機率跑到空穴里面去，一旦進入空穴中，重新變成了共價鍵的價電子（這樣就不能再導電啦），這個過程就是復合。
• 實際上，半導體中一旦出現了一定濃度的自由電子和空穴后，復合現象是經常發生的。當載流子（電子和空穴）的復合率和產生率相等時，就達到了一個動態平衡。
• 問題來了，這個動態平衡是怎么達到的呢？在本征半導體中，載流子的濃度與溫度有關，溫度越高，本征激發越容易，載流子濃度就越高，載流子濃度高了也使得復合的幾率變大了。從而形成一個動態的平衡。

雜質半導體

• 本征半導體的載流子是由熱運動激發的。局限性太大，且導電能力偏弱。而半導體材料本身具有可摻雜性，那么在本征半導體中摻入一定濃度的雜質半導體可解決上面的局限性。

N型半導體

• 摻入少量的5價元素雜質（磷、砷、銻），5個電子只用了4個便形成了共價鍵，還有1個非常容易逃脫原子的束縛，其實就相當于給它自由電子，這種元素雜質也成為施主雜質。而此類半導體內依然存在本征激發，所以它依然還是有兩種載流子：電子和空穴。
• 多子：多數載流子（自由電子），因為這個是主要導電的載流子，而自由電子帶負電，所以成為N（Negative）型半導體。
• 少子：少數載流子（空穴），這里有個小思考哦，空穴的濃度會比本征半導體因為本征激發而產生的空穴濃度少嗎？“摻入了自由電子”那么被復合的空穴是不是多了？
• 溫度的影響：多子受溫度影響小，而少子受溫度影響大，這個很容易理解。如果半導體器件中的某個特性是與少子有關，那么它受溫度的影響就很大。
• N型半導體里面的多子是自由電子，而自由電子帶負電，那么N型半導體帶負電嗎？顯然不是，因為雜質元素失去了自身的一個價電子，它變成了離子，帶正電，整個半導體還是呈電中性的。正離子是被僅僅的束縛在晶格中的不能移動，所以不能導電。

P型半導體

• 原理與N型半導體類似
• 摻入少量的3價元素雜質（硼等），硼原子只有3個價電子，它與周圍硅原子組成共價鍵時，因缺少一個電子，在晶體中便產生了一個空位，形成空穴。
  
• 空穴如何作為載流子前面也說過，相鄰共價鍵上的電子可能會去填補此空穴，從而形成了空穴的移動。
• 多子：空穴，空穴是導電的主體，所以稱為P（Positive）型半導體
• 少子：電子

PN結

• 擴散運動
  • 基于載流子的濃度差異和隨機熱運動，載流子會從高濃度區域向低濃度區域擴散，從而形成擴散電流。
• 當把P型半導體跟N型半導體放一塊時，發生擴散運動，自由電子從N型區向P型區擴散，空穴從P型區向N型區擴散，如上圖。由于擴散運動，這個交界區的電中性被破壞，P區失去空穴，留下帶負電的雜質離子，而N區失去電子，留下帶正點的雜質離子。而帶電離子緊束縛在晶格內，不能移動，從而在PN區交界處形成了一個空間電荷區，這就是PN結。 因為此處的多數載流子都被復合掉了，所以此區也稱為耗盡區。
  
• 出現了空間電荷區后，由于正負離子之間的相互作用，在空間電荷區形成了一個內電場。如上圖，內電場阻止載流子擴散運動。擴散運動越強，空間電荷區越寬。
• 如果只有一味的擴散運動，盡管有內電場的阻止，但是PN結終究會被消耗殆盡。那么是怎么達到平衡的呢？這就引出了漂移運動。
• 漂移運動
  • 由于熱能激發，半導體內的載流子將作隨機的無定向運動，載流子在任意方向的平均速度為零。但是內電場的形成，給了這些載流子方向與速度。
• 內電場使得N區的少數載流子空穴向P區漂移，而P區少數載流子電子向N區漂移，方向正好與擴散運動相反。漂移運動越強，空間電荷區越窄。
• 擴散運動和漂移運動是互相聯系又互相對立的。從而達到動態平衡。
• 勢壘：在PN結空間電荷區內，電子要從N區到P區必須越過一個能量高坡（同理，空穴要從P區到N區也要越過一個能量高坡），如圖所示，一般稱此能量高坡為勢壘。Ubo是勢壘電位。
• 如果PN結兩個區內的注入雜質濃度不一樣呢？這會形成什么？其實就是P區跟N區的寬度，如果濃度相同，兩邊就是對稱的為對稱PN結；如果濃度不同，就形成不對稱型PN結。

PN結的單向導電型

• 如果外加電壓（正向偏置），PN結PN結，從P到N，正向偏置。可見外電場削弱了內電場的作用，使勢壘降低了，從而使擴散運動得以恢復。
• 如果加反向電壓，反向偏置，加強了內電場的作用，使得勢壘變高了，此時加強了漂移運動，但是漂移運動是少子作用的，因此電流很小可忽略。但是這里有個注意的：這個電流受溫度影響很大。

PN結伏安特性

• 電流方程：$$i=I_s(e^{\frac{u}{U_T}}?1)$$ $$U_T=26mV，室溫$$
• Ge管的導通電壓：0.2 ~ 0.3V；Si管：0.6 ~ 0.7V
• Is是反向飽和電流，圖中沒有表現出來，畫的十分理想。
• 記住：PN結的伏安特性曲線上渾身是寶。
• 正向特性：有一個電壓死區。外加電壓低于這個值時，PN結不導通。
• 反向特性：有微弱的飽和電流Is
• 反向擊穿：加在PN結兩端的反向電壓增到到一定數值時，反向電流突然增加。此時有電壓有電流，PN結做功發熱，易燒毀PN結。
  • 雪崩擊穿（摻雜濃度低，PN結比較寬）
    • 碰撞電離： PN結反向電壓增加時，內電場（耗盡層）加寬，如果有足夠的長度，它就形成了一個粒子加速器，當一個自由電子進入的時候，被加速獲得足夠的動能，與晶體原子發生碰撞，從而打破了共價鍵的束縛，形成更多的自由電子-空穴對，這個現象就是碰撞電離。
    • 倍增效應：新產生的電子和空穴與原有的電子和空穴一樣，在強電場下獲得足夠的動能， 繼續碰撞電離，再產生自由電子-空穴對，這就是載流子的倍增效應。
    • 當反向電壓增大到某一個數值后，載流子的倍增情況就像陡峻的積雪山坡上發生雪崩一樣，載流子增加得多而快，使反向電流急劇增大，于是PN結被擊穿，這就是雪崩擊穿。
  • 齊納擊穿 （摻雜濃度高，PN結比較薄）
    • 空間電荷區存在一個很強的電場，它能破壞共價鍵的束縛，將電子分離出來形成電子-空穴對，在電場作用下，電子移向N區，空穴移向P區，形成較大的反向電流，這種現象就是齊納擊穿。有興趣可以了解下隧道效應。
  • 齊納擊穿的物理過程跟雪崩擊穿完全不同。一般整流二極管摻雜濃度較低，它的電擊穿多數是雪崩擊穿。齊納擊穿多出現在特殊的二極管中，如齊納二極管（穩壓二極管）。
  • 雪崩擊穿和齊納擊穿這兩種電擊穿是可逆的，降低反向電壓即可。但是前提條件：沒有發生熱擊穿，也就是反向電路和反向電壓的乘積不超過PN結允許的耗散功率，超過了就會因為熱量散不出去，導致燒毀。
  • 熱擊穿與電擊穿是兩個不同的概念，往往這兩種擊穿是并存的，電擊穿可以被利用，但是熱擊穿是要避免的。
  • 反向擊穿我們可以用來干嘛呢？查看圖可以發現，很大的電流變化范圍，而電壓不變，這不就是穩壓的概念嗎？因此可以用來做穩壓二極管。
  • 溫度對這些擊穿有什影響呢？
    • 對雪崩擊穿而言，溫度越高，要達到雪崩擊穿所需的反向電壓越大。 怎么理解這句話呢？由雪崩擊穿的原因我們知道，要達到一定的動能，也就是電子要被加速到一定的速度才能發生碰撞電離，如果溫度越高，晶格熱振動越厲害，那么就加大了電子碰撞共價鍵的幾率，也就是電子的加速行程（粒子加速器的軌道）變短了，要想達到足夠的動能，那么外加的電場就要增加。
    • 對齊納擊穿而言，溫度越高，要達到齊納擊穿所需的反向電壓越小。 這個很好理解，齊納擊穿的本質就是共價鍵里面的電子由外部強電場的作用下逃脫了束縛，那么溫度越高，越容易逃脫，所以所需的反向電壓越小。

PN結的電容效應

• 我們觀察PN結，這個很像什么？一邊正電荷一邊負電荷，是不是跟電容很像。

• 電容是什么？為什么要引入電容這個概念？電容的特性：電壓與電荷量的關系，在相同的電壓變化范圍內，電容量不一樣，電容里面電荷儲存量不一樣。
  

• 如圖所示：當外加反向電壓變化增大時，PN結越來越厚，電荷量越來越大。這不正是電容效應？因為外加反向電壓，所以是勢壘電容。勢壘電容是非線性的。

• 擴散電容：PN結正向偏置時，P區的空穴將向N區擴散，結果導致到達N區的空穴靠近結邊緣的濃高于距結稍遠處的濃度。同理N區的電子也是如此。從而產生了擴散電容。
  
• 如下圖，以1線為參考點，當外加電壓增高時，濃度達到2線；外加電壓降低時，濃度達到13線。
  

PN結耗盡層寬度與摻雜雜質濃度的關系

• 前面提到雪崩擊穿與齊納擊穿的時候，有個耗盡層寬度與濃度的關系，這里做下解釋。
• 高摻雜時耗盡層兩端的濃度差大，多子的擴散運動劇烈，空間電荷區理論上加寬，但是空間電荷區產生的內電場導致少子的漂移運動也劇烈，空間電荷區又要變薄，最終達到動態平衡。相對低摻雜時達到動態平衡所需的時間更短，載流子運動距離短，電子和空穴很快就復合了，耗盡層也就窄了。

總結

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