半导体与PN结

每周电子Week1——半导体与PN结

今天开始，将给大家重头开始讲解电子电气、硬件芯片相关知识，希望能够每周更新一点新知识，解疑他人也巩固自己。

半导体

本征半导体

讲电子当然要从它们的根本，也就是半导体，也就是硅。

纯净晶体结构的半导体我们称之为本征半导体。

常用的半导体材料有：硅和锗

它们都是四价元素，原子结构的最外层轨道上有四个价电子，当把硅或锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起。

共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。

在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。因此，在晶体中存在两种载流子，即带负电自由电子和带正电空穴，它们是成对出现的。

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共价键（covalent bond）：是化学键的一种。两个或多个非金属原子共同使用它们的外层电子，在理想情况下达到电子饱和的状态，由此组成比较稳定和坚固的化学结构叫做共价键。
吉尔伯特·路易斯于1916年最早提出“共价键”这一概念。他认为——在简单原子轨道模型中，要形成共价键的原子必须互相提供电子（一个或多个）从而组成电子对，电子对则扮演了共价键的角色，而形成共价键后的原子共同拥有那对电子对。

自由电子（free electron）：即离域电子，在化学中是指在分子中与某个特定原子或共价键无关的电子，主要是金属导体中的自由电荷；一般自由电子呈负性。

空穴（Electron hole）：空穴又称电洞、电子孔、正孔，在固体物理学中指共价键上流失一个电子，最后在共价键上留下空位的现象。

杂质半导体

在本征半导体中两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。我们向晶体中有控制的掺入特定的杂质来改变它的导电性，这种半导体称为杂质半导体。常见的杂质半导体有两种，分别是N型半导体和P型半导体

• 1.N型半导体

在本征半导体中，掺入5价元素（一般是磷P），使晶体中某些原子被杂质原子所代替，因为杂质原子最外层有5价电子，它与周围原子形成共价键后，还多余一个自由电子，因此使其中的空穴的浓度远小于自由电子的浓度。但是，电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数，与掺杂无关。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

• 2.P型半导体

在本征半导体中，掺入3价元素（一般是硼B），晶体中的某些原子被杂质原子代替，但是杂质原子的最外层只有3价电子，它与周围的原子形成工价键后，还多余一个空穴，因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。在P型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴使多数载流子。

PN结

现在，如果把一块本征半导体的一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，于是这两种半导体的交界处就形成了P-N结，它是构成其它半导体的基础，那么接下来就说说这样形成的P-N结有什么样的特性。

异性半导体接触现象

在形成的P-N结中，由于两侧的电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运动；电子从N区向P区扩散；空穴从P去向N区扩散。因此它们都是带电粒子，它们向另一侧扩散的同时在N区留下了带正电的空穴，在P区留下了带负电的杂质离子，这样就形成了空间电荷区，也就是形成了电场（自建场）

在电场的作用下，载流子将作漂移运动，它的运动方向与扩散运动的方向相反，阻止扩散运动，电场的强弱与扩散的程度有关，扩散的越多，电场越强，同时对扩散运动的阻力也越大，当扩散运动与漂移运动相等时，通过界面的载流子为0.此时，PN结的交界区就形成一个缺少载流子的高阻区，我们又把它称为阻挡层或耗尽层。

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扩散运动：扩散运动（指的是扩散电流的运动），化学中的扩散电流是指在极谱分析中由溶液本体扩散到电极表面的金属离子所形成的电流。而溶液中离子的扩散速率有极大值，当扩散速率达到最大时所形成的电流就称为极限扩散电流。

漂移运动：漂移运动（指的是漂移电流的运动）在凝聚体物理学和电化学中，漂移电流是在施加电场下载流子定向运动产生的电流。当电场加在半导体材料上时，载流子流动产生电流。漂移速度是指漂移电流中载流子运动的平均速度。

PN结的单向导电性

在PN结两端加不同方向的电压，可以破坏它原来的平衡，从而使它呈现出单向导电性。

• 1.PN结外加正向电压

PN结外加正向电压的接法是P区接电源的正极，N区接电源的负极。这时外加电压形成电场的方向与自建场的方向相反，从而使阻挡层变窄，扩散作用大于漂移作用，多数载流子向对方区域扩散形成正向电流，方向是从P区指向N区。这时的PN结处于导通状态，它所呈现的电阻为正向电阻，正向电压越大，电流也越大。

它的关系是指数关系：

其中：Id为流过PN结的电流，U为PN结两端的电压，Ut = Kt/q称为温度电压当量，其中，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子单量，在室温下（300K）时Ut=26mV，Is为方向饱和电流。

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• 2.PN结外加反向电压

它的接法与正向相反，即P区接电源的负极，N区接电源的正极。此时的外加电压形成电场的方向与自建场的方向相同，从而使阻挡层变宽，漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场的作用下，形成漂移电流，它的方向与正向电压的方向相反，所以又称为反向电流。因反向电流是 少数载流子形成，故反向电流很小，即使返回电压再增加，少数载流子也不会增加，反向电压也不会增加，因此它又称为反向饱和电流。即：Id=-Is。

此时，PN结处于截止状态，呈现的电阻为反向电阻，而且阻值很高。
PN结在正向电压作用下，处于导通状态，在反向电压的作用下，处于截止状态，因此PN结具有单向导电性。
它的电流和电压的关系通式为：

它被称为伏安特性曲线

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伏安特性曲线：伏安特性曲线图常用纵坐标表示电流I、横坐标表示电压U，以此画出的I-U图像叫做导体的伏安特性曲线图。伏安特性曲线是针对导体的，也就是耗电元件，图像常被用来研究导体电阻的变化规律，是物理学常用的图像法之一。

PN结的击穿

PN结处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。

击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿

对于硅材料的PN结来说
击穿电压>7v时为雪崩击穿
<4V时为奇纳击穿
在4V与7V之间，两种击穿都有。这种现象破坏了PN结的单向导电性，使用时要避免。
击穿并不意味着PN结烧坏。

PN结的电容效应

由于电压的变化将引起电荷的变化，从而出现电容效应，PN结内部有电荷的变化，因此它具有电容效应。

它的电容效应有两种：势垒电容和扩散电容

势垒电容是由阻挡层内的空间电荷引起的。
扩散电容是PN结在正向电压的作用下，多数载流子在扩散过程中引起电荷的积累而产生的。
PN结正偏时，扩散电容起主要作用，PN结反偏时，势垒电容起主要作用。