1.半导体基础知识

本征半导体

什么是半导体？什么是本征半导体？

本征半导体的结构

本征半导体中的两种载流子

空穴和自由电子都是会运动的，且运动方向相反

为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体

因为自然界中的半导体的导电性不易控制，而惨杂后的本征半导体容易控制其导电性。制成本征半导体是为了讲自然界中的半导体材料进行提纯，然后人工掺杂，通过控制掺杂的浓度就可以控制半导体的导电性，以达到人们的需求。本征半导体一般是指其导电能力主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。更通俗地讲，完全纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体或I型半导体。主要常见代表有硅、锗这两种元素的单晶体结构。

杂质半导体

N型半导体

在纯净的硅晶体或锗晶体中掺入五价元素（如磷）

空穴比未加杂质时的树木少了，因为空穴与自由电子复合的几率更大了。即自由电子数目变多了，空穴变少了。

P型半导体

温度变化时，载流子数目变化，温度越高，越多的价电子挣脱共价键变成自由电子，且少数载流子与多数载流子数目相同，因为是成对出现。少数载流子与多数载流子浓度变化不同，假设多数载流子和少数载流子都增加2个，可能多数载流子增加的是千分之一，少数载流子增加的是百分之一。也因此，少数载流子是影响半导体器件的温度稳定性的主要因素，原因是当温度变化时，少数载流子的相对变化更大。

PN结

PN结中的扩散运动

扩散运动是多数载流子的运动。因为是晶体结构，空穴是不动的，只是自由电子沿着某个方向不断和沿途的空穴复合再分离导致空穴的相对运动。内电场方向是从N区指向P区，即阻止扩散运动。

漂移运动和PN结的形成

漂移运动是少数载流子的运动，这两种运动不会停止，只是达到了动态平衡。

PN结的单向导电性

PN结的电容效应

势垒电容和扩散电容的区别是工作原理不同。

势垒电容是PN结外加反向电压时，空间电荷区的宽度随之变化，耗尽层电荷量随外界电压增大而减小，与电容充放电过程相同。是PN结所具有的一种电容，即是PN结空间电荷区（势垒区）的电容；由于势垒区中存在较强的电场，其中的载流子基本上都被驱赶出去了——耗尽，则势垒区可近似为耗尽层，故势垒电容往往也称为耗尽层电容。势垒电容是相应于多数载流子电荷变化的一种电容效应，因此势垒电容不管是在低频、还是高频下都将起到很大的作用(与此相反，扩散电容是相应于少数载流子电荷变化的一种电容效应，故在高频下不起作用)。实际上，半导体器件的最高工作频率往往就决定于势垒电容。

扩散电容，是二极管结电容的组成部分之一，在交流信号作用下才会表现出来，它是PN结在正偏时所表现出的一种微分电容效应。扩散电容就是由多子扩散后，在PN结得另一侧面积累而形成得。PN结正偏时，由N区扩散到P区得电子(非平衡少子)，与外电源提供得空穴相复合，形成正向电流。扩散过来得电子流就堆积在P区内紧靠在pn结得附近，到远离交界面，形成一定得浓度梯度分布曲线。电压增大，正向(扩散)电流增大。当外加正向电压不同时,扩散电流即外电路电流得大小也就不同。所以PN结两侧堆积得电子得浓度梯度分布也不同，这就相当电容得充放电过程。

为什么半导体器件的温度稳定性差？为什么少子是影响温度稳定性的主要因素?

因为半导体载流子浓度会随温度变化而变化，导致电学性能发生变化，即不稳定。温度升高，载流子热运动加剧。以PN结举例来说，会使PN结伏安特性变化。少子是影响温度稳定性的主要因素。少数载流子在温度变化时，它的相对变化量非常大，这将更影响温度稳定性。例如PN结中反向饱和电流就是由少子浓度影响的，温度升高，少数载流子增加，反向饱和电流增大。每升高10℃，反向饱和电流增加一倍。

为什么半导体器件有最高工作频率

因为半导体的主要组成单元是PN结，PN结的显著特征是单向导电性，因为PN结的反向截止区是由耗尽层变宽导致截止，而这个过程是需要一定的时间的，如果频率太高导致时间周期小于截止时间就可能造成半导体器件不能正常工作，所以半导体器件有最高工作频率的限制。