1.1基础知识

第一章  常用半导体器件

1.1  基础知识

1.1.1  本征半导体

一 、半导体

1、概念：导电性能介于导体和绝缘体之间

2、本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体

 

二、本征半导体的晶体结构

 

三、载流子

1、本征激发：常温下，极少数价电子由于热运动，获得足够的能量挣脱共价键束缚，成为自由电子，共价键内留下空穴

2、自由电子

3、空穴

空穴如何导电

设外加电场（右上为正，左下为负，电场线方向右上往左下）

在电场力吸引下，共价键内价电子按12345顺序依次填补空穴

造成了空穴的相对移动

4、复合

 

四、载流子的浓度

动态平衡：温度上升→本征激发上升→浓度上升→复合加剧→浓度下降

温度越高，浓度越高

 

1.1.2  杂质半导体

一、概念：掺入少量杂质元素

 

二、N型半导体

1、掺入P

2、多子：自由电子（带负电，Negative，”N“）

3、少子：空穴

Q：温度对N型半导体的多子影响大不大？

A：不大，掺杂增加的多子是本征激发产生的自由电子的上百万倍

 

某半导体器件特性

与多子相关：受温度影响小

与少子相关：受温度影响大

 

N型半导体呈电中性：多了多少个自由电子，就多了多少个P⁺（不导电，固定在晶格结构中）

 

三、P型半导体（Positive）

1、掺入B  

 

1.1.3  PN结的形成

一、PN结的形成

1、扩散运动

自由电子和空穴打仗，中间产生无人区

2、空间电荷区（耗尽层、阻挡层、PN结）

产生势垒（电势差U_ho筑成的堤坝）

抑制多子的扩散运动，促进少子的漂移运动

3、漂移运动

4、对称结、不对称结（浓度高的一边窄，浓度低的一边宽）

 

二、PN结的单向导电性

1、外加正向电压（P区接电源正极，N区接电源负极）

设电源从0开始上升，刚开始无电流，在特性上将该区域称为死区

外加电场相当于降低势垒

本质：外电场削弱内电场作用，使扩散运动恢复，电流迅速增大

限流电阻：保护二极管

辅助记忆：PN结，正向电压从P到N

2、反向电压

反向饱和电流：少子的漂移运动加剧产生，微安级，可忽略

 

三、PN结的电流方程

 

 

 

四、PN结的伏安特性

1、正向特性

死区

2、反向特性

3、反向击穿

（1）雪崩击穿（掺杂浓度低）

给PN结足够的宽度，外加足够的场强，成为粒子加速器。链式反应，一变二，二变四

（2）齐纳击穿（掺杂浓度高→PN结窄）

因为PN结窄，外加很小电压，场强会变得非常大，价电子直接从共价键里出来导电

控制掺杂浓度可控制反向击穿电压，越稀薄击穿电压越高，因为是雪崩的，浓度越高击穿电压越低

通过不同的掺杂浓度和工艺可做出不同反向击穿电压的稳压二极管（不同的稳定电压）

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拓展

Ⅰ  PN结击毁原因：击穿后引起电流增大，PN结的电功率=电流乘以PN结电压，发热

Ⅱ  PN结可工作在反向击穿状态下：控制温度使PN结不过热（热击穿即二次击穿，不可逆）

Ⅲ  反向特性是很小的电压变化引起很大的电流变化，换句话说，电流变化电压几乎不变→稳压→稳压二极管

Ⅳ  温度越高雪崩击穿需要的电压越高

雪崩击穿需要粒子有加速过程，温度升高→晶格结构振动幅度变大→自由电子碰上晶格结构的概率变大→自由行程变短→需要的电压变高

Ⅴ  温度越高齐纳击穿需要的电压越低

齐纳击穿即把价电子拉出来，温度越高越容易拉出来

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猜想：下图耗尽层像什么

 一边像电容的正极版，一边像电容的负极板

猜想——验证

电容反映电量和电压之间的关系（Q=CU），在相同电压变化范围内，电容量不一样代表电荷储存变化量不一样

不能说两边分别由正极板和负极板组成就叫电容，而是器件有这样的特性：当器件两端电压变化时，它储存的电荷量会变化

随着反向电压增大，PN结变厚，相当于电荷量越来越大，等效出电容，因此电容发生在势垒中，被称为势垒电容

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五、PN结的电容效应

1、势垒电容（非线性，线性电容△Q/△U为常数）

做成可变电容

2、扩散电容、非平衡少子

正向导通时，扩散状态下也能等效出一个电容效应

越过耗尽层的非平衡少子在边界聚集

电压越高，左边聚集的自由电子越多，右边聚集的空穴越多

相当于非平衡少子储电量的变化

只要电压变化能引起电荷量的变化，即等效为电容