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。
- 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。
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