模电：半导体和PN结

模电：半导体和PN结

半导体（semi-conductor），是指常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅是在商业应用上最具有影响力的一种。

• 本征半导体
  纯净不含杂质的半导体，称为本征半导体。
  以硅晶体结构为例：
  
  硅是+4价原子，外部有4个电子。硅晶体内部形成一个网状结构，每两个硅原子之间都有2个电子组成共价键。
  我们知道，水流大小是由水分子的移动形成的，水是水流的载流子；同样，带电荷的可移动粒子是电流的载流子。由于受到共价键的束缚，原子核（带正电荷）和电子（带负电荷）都不可移动的，所以硅的导电性能比较差。
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  硅晶体的共价键并不是非常坚固，由于受到温度、光、磁等能量的激发作用，极少的电子获得足够的能量，可以摆脱共价键的束缚，带负电荷的电子便可以移动了，支持了电流的形成。这个电子离开原子后，共价键就少了一个电子，留下一个空位置（我们称为空穴），该原子同时变成了带正电荷的离子。因为这种带正电荷的离子都有一个空穴，我们不如将空穴视为带正电荷的“粒子”（实际上空穴不是粒子，但是原子有空穴，就代表此处有正电荷）。
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  这种由于热激发产生了一对“自由电子”和“空穴”的过程，称为本征激发。自由电子带负电荷，空穴带正电荷。自由电子和空穴都是半导体的载流子。
  同理，自由电子和空穴也可以复合。

• 杂质半导体
  掺入杂质的半导体称为杂质半导体。
  由于本征导电性能差，如果参入+5价或者+3价的原子，可以大大提高其导电性能。
  比如，掺入+5价的磷原子后，磷的4个电子和周围4个硅原子形成共价键，还剩有1个电子，由于不受共价键束缚可以自由移动，这种杂质半导体称为N型半导体。N代表负极性Negetive，由于引入了1个自由电子，所以称为N型半导体。
  同理，掺入+3价的硼原子后，硼的3个电子和周围4个硅原子形成共价键的话，会出现一个空穴，这种杂质半导体称为P型半导体。P代表正极性Positive。
  

• PN结
  将P型半导体和N型半导体放在一起后，在它们的接触面会形成PN结。
  PN结最显著的特点是：电流单向导通。
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  我们都在初中物理中都学过扩散原理。由于浓度不均匀而产生的粒子定向运动，叫做扩散。
  当把Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起后，虽然原子受共价键作用不能移动，但是空穴和自由电子是可以移动的。于是，在接触面附近的电子和空穴会向对方区域移动而复合消失。
  
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  在接触面附近失去电子和空穴的离子，由于不可移动，便形成了一个内部电场。
  
  这个内电场形成后，反过来又阻止扩散运动。最后会达到一个动态的平衡。中间这个内电场区域，因为只有离子也叫空间电荷区。内电场形成的电势阻止了电子和空穴的扩散、复合，在PN之间形成了一道壁垒，所以又称为势垒区。这就是PN结的形成过程。

• PN结的特点
  PN结最显著的特点是：电流正向导通，反向截止。
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  给PN结外加正向电压时，我们称为正向偏置，简称正偏。
  正偏状态下，外加的电场会削弱内电场的壁垒作用，空间电荷区变窄，电子和空穴穿越空间电荷区会容易些。在外电场的持续作用下，便可以形成持续的电流。外电场越大，电流越大。
  
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  给PN结外加反向电压时，我们称为反向偏置，简称反偏。
  反偏状态下，外加的电场会增强内电场的壁垒作用，空间电荷区变宽，电子和空穴更加难以进入空间电荷区，不能形成持续的电流。
  

PN结形成过程
▼载流子浓度不均
▼扩散运动
▼电子空穴复合
▼形成空间电荷区，内电场
▼内电场阻止扩散运动
▼动态平衡，形成PN结