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【Fire man】半导体的前世今生——模电学习笔记1.1
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目录
- 欢迎来到火火火的科技主义教室!
- (一)半导体基础
- (1)本征半导体
- 1.1 半导体
- 1.2 本征半导体的导电性
- 1.3 本征半导体中的两种载流子
- 1)自由电子
- 2)空穴
- 3)特殊性质
- 1.4 载流子的复合
- (2)杂质半导体
- 2.1 P型半导体
- 2.2 N型半导体
- (3)PN结
- 3.1 PN结的形成
- 1)扩散运动
- 2)飘逸运动
- 3.2 PN结的单向导电性
- 1)外加正向电压
- 2)外加正反向电压
- 3)小结
- 3.3 PN结的伏安特性
- 1)PN结的电流方程 i = I s ( e u U t − 1 ) i=I_{s}\left( e^{\dfrac {u}{U_{t}}}-1\right) i=Is⎝⎛eUtu−1⎠⎞
- 2)伏安特性
- 3)反向击穿
- 3.4 PN结的电容特性
- 1)势垒电容
- 2)扩散电容
(一)半导体基础
(1)本征半导体
1.1 半导体
- 根据物体导电能力(电阻率)的不同,来划分 导体、绝缘体和半导体。
- 典型的半导体有硅(Si)和锗(Ge)以及砷化镓 (GaAs)等。
- 本征半导体是一种完全纯净、结构完整的半导体晶体。
1.2 本征半导体的导电性
- 在室温(300K)下,当被束缚的价电子获得足够的随
机热振动能量而挣脱共价键束缚成为自由电子时(本征激
发),半导体便具备了一定的导电能力。 - 但与良导体相比,本征硅晶体内自由电子数量较少,因而其导电性能远不及导体。
1.3 本征半导体中的两种载流子
1)自由电子
- 晶体中的共价键具有很强的结合力,因此,在常温下有极少数的价电子由于热运动获得足够的能量,从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子。
2)空穴
- 空穴就是价电子挣脱束缚成为自由电子后,共价键中留下的空位。因为空穴表示共价键中失去了一个带负电荷的电子,所以认为其带有与电子电荷等量的正电荷。
- 自由电子和空穴是成对出现的,即自由电子与空穴数目相等。
- 空穴也可以移动,它实际上反映了受束缚的价电子的移动,只是移动方向与价电子移动方向相反。可以用空穴移动产生的电流来代表价电子移动产生的电流。
- 空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。
3)特殊性质
- 运载电荷的粒子称为载流子。导体导电只有一种载流子,即自由电子导电;而本征半导体有两种载流子,即自由电子和空穴均参与导电,这是半导体导电的特殊性质。
1.4 载流子的复合
- 自由电子与空穴相遇时,两者同时消失,称为自由电子与空穴的复合。外部环境不变的情况下,载流子的产生与复合达到动态平衡。、
- 当温度升高时,将产生更多的自由电子和空穴,意味着载流子的浓度升高,晶体的导电能力也会增强。即本征半导体的电导率将随温度的升高而增加。
- 本征半导体的导电性能很差,且与环境温度密切相关。半导体材料性能对温度的这种敏感性,既可以用来制作热敏和光敏器件,又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。
(2)杂质半导体
2.1 P型半导体
- 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时,缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴
- 在P型半导体中空穴是多数载流子, 它主要由掺杂形成;
自由电子是少数载流子, 由热激发形成。 - 空穴很容易俘获电子,使杂质原子成为负离子。三价杂
质因而也称为受主杂质。
2.2 N型半导体
- 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键,而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。
- 在N型半导体中自由电子是多数载流子, 它主要由杂质原
子提供; 空穴是少数载流子, 由热激发形成。 - 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子,
因此五价杂质原子也称为施主杂质。
(3)PN结
采用的不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性。
3.1 PN结的形成
1)扩散运动
- 由载流子浓度差引起的载流子运动。
- 当把P型半导体和N型半导体制作在一起时,在它们的交界面,两种载流子的浓度差很大,因而P区的空穴必然向N区扩散。N区一样向P区扩散。
- 由于扩散的空穴与自由电子的复合,交解附近多子的浓度下降,P区出现负离子区,N区出现正离子区,它们不能移动称为空间电荷区。
- 随着扩散运动的进行,空间电荷区加宽,内电场增强,其方向由N区指向。
2)飘逸运动
- 在电场力作用下,载流子的运动称为飘逸运动。
- 当空间电荷区形成后,在内电场的作用下,少子产生漂移运动,空穴从N区向P区运动,自由电子从P区向N区运动。多子的扩散和少子的飘逸达到动态平衡,形成PN结。
3.2 PN结的单向导电性
1)外加正向电压
- 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位,称为加
正向电压,简称正偏(正向偏置);反之称为加反向电压,简称反偏。 - 外电场将多数载流子推向空间电荷区,使其变窄,消弱了内电场,使扩散运动加强,飘逸运动减弱,由于电源的作用形成正电流,PN结导通。
- 电阻是为了防止回路电流多大使得PNj结损坏。
2)外加正反向电压
- 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位,称为加
正向电压,简称正偏(正向偏置);反之称为加反向电压,简称反偏。 - 此时外电场空间电荷区变宽,内电场加强,漂移运动加剧,形成反向电流。也称飘逸电流。
- 因为少子的数目极少,即使所有的少子都参与漂移运动,反向电流也非常小,所以近似分析中常常将它忽略不计,认为PN结外加反向电压时处于截止状态。
3)小结
- PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流。
- PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流。
- 综上所述PN结具有单向导电性。
3.3 PN结的伏安特性
1)PN结的电流方程 i = I s ( e u U t − 1 ) i=I_{s}\left( e^{\dfrac {u}{U_{t}}}-1\right) i=Is⎝⎛eUtu−1⎠⎞
2)伏安特性
- 当PN结外加正向电压,且u>>UT时, i ≈ I s ( e u U T ) i≈I_{s}\left( e^{\dfrac {u}{U_{T}}}\right) i≈Is⎝⎛eUTu⎠⎞即 i 随 u 按指数规律变化。
- 当PN结外加反向电压,且 |u| >>UT 时, i ≈ − I s i≈-I_{s} i≈−Is
- PN结的伏安特性如下图所示,u>0 的部分称为正向特性,u<0的部分称为反向特性
3)反向击穿
- 当反向电压超过一定数值U(BR) 后,反向电流急剧增加,称之为反向击穿。
- 雪崩击穿
- 齐纳击穿
3.4 PN结的电容特性
1)势垒电容
- 当PN结外加电压变化时,耗尽层的电荷量随外加电压而增大减小,这种现象与电容器的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化等效的电容称为势垒电容Cb
- Cb与外加电压 u的关系如下图所示,利用PN结加反向电压时Cb随u变化的特性,可制成各种变容二极管。
2)扩散电容
- PN结处于正向偏置时,从P区扩散到N区的空穴与N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子。
- 当外加正向电压一定时,靠近耗尽层交界面的地方非平衡少子的浓度高,远离交解面的地方浓度低。
- 当外加正向电压增大时,非平衡少子的浓度增大且浓度梯度也增大,从外部看正向电流增大。外加正向电压减小时与上述变化相反。
- 下图为在不同正向电压下P区少子浓度的分布情况。
-外加电压增大,曲线由①变为②。外加电压减小,曲线由①变成③。扩散区内,电荷的积累和释放过程与电容器的充放电过程相同,这种电容效应称为扩散电容
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