模电基础（1） 半导体基础知识

基本内容：
1.本征半导体的基本介绍+结构；
2.杂质半导体；
3.PN结的形成；
4.PN结的性质。

1.本征半导体
半导体：导电性能介于绝缘体和导体之间的物质。
本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。

• 纯净→无杂质
• 晶体结构→稳定的结构
  
  图为本征半导体的基本结构。里面有两种载流子：电子和空穴。
• 在一定温度下（只要是非绝对零度），由于热运动，少数价电子会挣脱共价键的束缚而成为自由电子。与此同时，由于电子的离开，共价键上会留有一个空位置，称为空穴。原子因失掉一个价电子而带有正电，或者说空穴点正电。（空穴不是真实存在的微粒，只是为了类比描述，提出空穴的概念）
• 在本征半导体中，空穴和自由电子总是成对出现的，即自由电子和空穴的数量是相等的。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。在一定温度下，空穴和自由电子的浓度是相对稳定的，是不断在形成电子-空穴对（本征激发）和复合的动态平衡。温度升高，热运动加剧，价电子能够获得的能量增多，挣脱共价键的电子增多，自由电子-空穴对的浓度增大。
• 若在本征半导体两端外加一电场，一方面自由电子会受电场影响而定向运动，形成电子电流；另一方面由于空穴的存在，价电子会按一定的方向依次填补空穴，即空穴也会产生定向运动，形成空穴电流。即，本征半导体的电流是两个电流之和。普通导体导电则只有一种载流子导电，即自由电子。
• 本征半导体的导电性能差，且与环境温度相关，因这种敏感性，可以用来做热敏和光敏器件。但是又由于想要导电性能好，本征半导体只能升温，限制其使用场景，且温度往往升不上去，故这里引入杂质半导体，人为控制其导电能力。

2. 杂质半导体
   杂质半导体有两种，N型和P型。

• N型半导体的结构示意图如下，N可以理解为negative，在纯净硅中掺入5/6价元素，使之取代原来硅的位置。杂质原子最外层的电子在形成稳定共价键后，还会有多于的电子，多处的电子不受共价键的约束（共价键都结合地好好的嘛），极容易形成自由电子。所以这时候的电子为多子，空穴为少数载流子。杂质原子是提供电子的，也被称为施主原子。
• 需要注意的是，杂质元素应始终是少量。

很容易可以理解：导电性能主要由多子的浓度决定，而多子的浓度取决于掺杂的情况，从而实现了我们人为可控制导电性能。
如下图，P型半导体则是反过来，里面的多子是空穴，掺杂元素也多为3价元素。

可以认为：多子的浓度约等于所掺杂的原子浓度，因此受温度影响较小；而少子是本征激发所形成的，尽管浓度很低，但是对温度很敏感，这也可能会影响到半导体器件的性能。（即，与本征激发有关的都与温度有关）
3. PN结的形成
扩散运动：物质总是从高浓度向低浓度的地方运动。

• 当把P型半导体和N型半导体制作在一起时，他们的交界面，两种载流子的浓度差很大，因此，P区的空穴必定会向N区扩散，N区的自由电子必定会向P区扩散。下图为示意图。

• 扩散到P区的自由电子与空穴复合，扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界处多子的浓度下降。P区出现负离子区（可以理解为原来整体是电中和状态，但是因为扩散运动，N区来了电子，原来的P区就不是电中和了，有了负离子区，N区和P区这个整体现在是电中和状态）。同理，N区也会出现正离子区，形成内电场，称为空间电荷区。
• 随着扩散运动的进行，空间电荷区会增大，但是空间电荷区的存在又会阻止扩散运动的继续，扩散运动和空间电荷区会形成一个平衡。
  因内电场作用所产生的的运动被称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相等时，即达到动态平衡时，就形成了PN结。
  4. PN结的单向导电性
  当在PN结两端外加电压时，就破坏了原有的平衡。
• 如下图，当外加电源的正极接到PN结的P端，电源负极接到PN结的N端时，称PN结外加正向电压。外电场将多子更快的推向了空间电荷区（可以理解为更快地达到了动态平衡），空间电荷区还没有形成原不加电场那么多的时候，就已经达到动态平衡了，可理解为，削弱了内电场，扩散运动加剧，漂移运动减弱。
• 当正向电压达到一定程度时，有正向电流形成，PN结导通。

同理，可以理解，加反向电压时，空间电荷区会变大，称为截止状态。

5. PN结的伏安特性
伏安特性就是外加电压时，PN结的电流情况。

U＞0部分为正向特性，U＜0部分为反向特性。
反向超过一定电压后，反向电流会急剧增大，称之为反向击穿。按击穿原理分为齐纳击穿和雪崩击穿。

• 齐纳击穿：在高掺杂的情况下，因耗尽层宽度很窄，不大的反向电压就可以在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏掉共价键，使价电子脱离共价键舒服，产生电子-空穴对，导致电流急剧增大。即，齐纳击穿只需要很小的电压。
• 雪崩击穿：在低掺杂的情况下，耗尽层的宽度较宽，当反向电压增大到比较大的时候，耗尽层的电场使少子加快漂移速度，从而与共价键中的价电子碰撞，把价电子撞出共价键，形成电子-空穴对。新产生的电子和空穴被电场加速后又装向其他的电子（就像雪崩一样不断滚成大雪球）。
  6. PN结的电容效应
  PN结具有电容效应，根据产生原因的不同，分为势垒电容和扩散电容。
  如图为势垒电容Cb，即衡量的是耗尽层中电荷量的变化情况。
  
  扩散区内，电荷的积累与释放与电容器的充放电火锅城相同，这种电容效应被称为扩散电容Cd。
  即PN结的结电容应是这两种电容之和。