（一）【模电】(常用半导体器件)本征半导体|参杂半导体|PN结

(1)基础知识

1)本征半导体

<1>半导体

1>概念：导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。
2>本征半导体：纯净的、具有晶体结构的半导体

<2>本征半导体的晶体结构

硅等四价元素组成，最外层四个电子，和其他原子形成共价键，达到稳定的八电子结构。

<3>载流子

运载电荷的粒子称为载流子。

1>本征激发：粒子热运动逃离共价键束缚，变成自由电子，留下一个空穴。（促进导电）
2> 自由电子：导电
3> 空穴：导电
4> 复合：自由电子撞到空穴（抑制导电）

<4>载流子的浓度

本征半导体导电能力与载流子的浓度有关。
温度加大，浓度变大，复合与本征激发速度加快，到一定温度，浓度稳定，本征激发速度与复合速度近似。（动态平衡）

工程角度看：虽然本征半导体导电不如导体，又没有绝缘体的绝缘能力。但它有可参杂性。

2)参杂半导体

概念：在本征半导体掺入少量杂质元素。

<1>N型半导体（造出载流子）

掺入磷（5价），少量不会改变晶体结构。

• 磷掺入后，有一个电子非常容易逃脱原子的束缚。即使少量，自由电子浓度可高上百万倍，导电性能大幅度提高。
• 自由电子是多数载流子，简称多子。
• 空穴是少子。
• 主要的导电载流子是自由电子，自由电子带负电，故称为N型(negative)。
• 温度变化对多子几乎影响没影响（多子基数大），对少子有很大影响（少子基数小）。立即推：半导体某种特性与少子相关，那么这种特性受温度影响很大；半导体某种特性与多子相关，那么这种特性受温度影响很小。

<2>P型半导体

掺入硼（3价）

• 空穴是多子。
• 自由电子是少子。
• 主要的导电载流子是空穴，空穴带正电，故称为P型(positive)。

3）PN结

<1>PN结的形成

P型N型半导体放在一起时，

1> 扩散运动（高浓度向低浓度）: P区的空穴向N区；N区的自由电子向P区。两者结合。

2> 空间电荷区（耗尽层，阻挡层，PN结）：形成一个电场阻止扩散。即使阻挡，还是会有少量通过，不考虑其他情况，最终会耗尽。

(橙色，蓝色圆分别为P, N的多子)

但是：
3> 漂移运动： 两边的少子在电场作用下移动到另一边。多子的扩散运动与少子的漂移达到动态平衡。

4> 对称结 ：两边掺杂浓度一样
不对称结：两边掺杂浓度不一样

<2>PN结的单向导电性

1> 外加正向电压(P到N)

外电场与内电场方向相反，削弱内电场。

V如果可调，把它从零往上升，刚开始升没有电流（把没有电流的区域称为死区），之后电流与电压呈指数增长。PN结会烧掉，所以要加一个R限制电流（I<U/R）

2> 外加反向电压(N到P)

外电场与内电场方向相同，增强内电场，几乎不导电。（有漂移运动，但少子非常少）

<3>PN结的电流方程

$U_T$是一个温度当量

<4>PN结的伏安特性（非线性）

1> 正向特性

• 死区
• 正常导通

2>反向特性

• 反向饱和电流 $I_s$

• 反向击穿：
  ** 雪崩击穿 ：
  当掺杂浓度比较低，空间电荷区大，外加电压不断增大，场强不断增大。当一个自由电子进入空间电荷区之后，会被不断加速。由于足够的行程（PN结宽），足够的场强，电子速度可以变得很大。它一旦与价电子相撞 ，就把价电子撞出来，变成两个自由电子，再这样变成四个自由电子。。。（就像一个小石头掉落雪山引起雪崩一样。）迅速地，PN结就开始导电了，大电流开始走，PN结发热。（功率都用在发热）当热散不出去，就可能发生二次击穿（热击穿），烧毁。
  雪崩击穿所需要的电压高。

  ** 齐纳击穿：
  当掺杂浓度高，PN结窄( $d$小)，电压增大，场强上升快（ $E = U/d$）,大到把价电子直接从共价键拉出来。
  齐纳击穿所需要的电压低。

<5>PN结的电容效应

当一个器件有：电压变，储存电容跟着变的特性，则称它有电容特性。
PN结电容：
1> 势垒电容（加反向电压）

2> 扩散电容（加正向电压）