模电入门01 半导体简介和PN结

1、本征半导体

首先我们到知道半导体的概念是什么？顾名思义，就是导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。
而本征半导体，是一种纯净的半导体（硅，锗…），下面是本征半导体的晶体结构。

上面的晶体结构，是不是看起来非常稳定（全都形成共价键），那么为什么这是一种半导体而不是绝缘体呢？这样就引出了话题，本征半导体靠什么来承载电流，也就是载流体是怎么产生的？

首先，我们要清楚，只要不是在绝对零度的环境下，粒子都会进行热运动，因此，总有粒子会得到能量来逃逸出共价键的束缚而变成了自由电子(负电)，同时共价键会因为缺少一个电子而形成空穴，这个过程叫做本征激发。

与此同时，空穴沿着电场线的方向的电子也会在电场力作用下跳出共价键来填补进空穴，从而形成了另一个空穴。以此类推，价电子依次填补空穴，造成空穴的相对移动，因此空穴也是一种载流体。

自由电子也可能刚好移动到空穴中，填补进来，重新形成价电子，这种运动叫做复合。

本征半导体的本征激发的速度与温度有关，温度越高，热运动越剧烈，载流子浓度越高，而复合的速度又会随着载流子的浓度升高而升高。因此，温度不变的情况下，载流子浓度不变，也就是本征激发和复合达到了动态平衡。

综上所述，本征半导体的载流子就是自由电子和空穴。那么本征激发的速度，复合的速度以及温度，就决定了载流子的浓度。而载流子浓度越高，导电性越强。

本征半导体的载流子浓度即使在高温情况下也很低，导电能力跟绝缘体相比好不了多少，实用性特别。，因此在发现半导体后的很长一段时间，没人知道如何使用半导体。而如何提高半导体的导电性呢？那就引出了杂质半导体。

2、杂质半导体

半导体还有一个特性，那就是可掺杂性，当时为了研制出半导体的参杂工艺，花费了极大的成本，从我们现在的目光看来，这种成本花的太值了。

杂质半导体概念就是，可以在本征半导体的基础上可掺入少量别的杂质，构成杂质半导体。

2.1 N型半导体

这种杂质半导体的设计思路是：既然缺少载流子，那么就人为的加入载流子，提高半导体的导电能力。

N型半导体是在里面掺入了P（5价，磷），因为是少量，所以一般来讲，磷 旁边的元素还是普通半导体材料的元素。结构也会发生一点改变，如图所示。

掺入进来的磷元素，只需4个电子就能达成共价键，剩下的一个电子非常容易逃脱束缚形成自由电子，说是掺一个磷多一个自由电子也不为过。

即使掺杂的是少量的磷，但是载流体的浓度也远远比本征半导体的载流体浓度高，甚至高上百万倍。

在N型半导体下，自由电子是多数载流子，简称多子；空穴是少子。自由电子带负电，因此称为N型半导体，N是Negative。

同理，N型半导体自由电子远远多于本征半导体的自由电子，因此复合运动更加剧烈，导致N型半导体的空穴少于本征半导体。

并且由于温度影响的是热运动，也就是本征激发，但是本征激发的自由电子极少，所以热运动对于N型半导体的影响可以说是忽略不计。但是这只是总体来讲忽略不计，对于少子来讲还是很敏感的。

杂质磷贡献了一个自由电子后，变成带正电的磷离子，但是注意，这个磷离子是固定在晶格结构中的，绑定非常紧，因此不会导电。并且磷原子贡献了一个自由电子，此时被称为施主原子。

2.2 P型半导体

同理，P是Positive（正），掺入的是三价硼原子。增加的是空穴的浓度，空穴是多子，自由电子是少子，提高了导电性。

3. PN结

将N型半导体和P型半导体放在一起时，就会形成PN结。

粒子会进行扩散运动，即从浓度高的地区向浓度低的地区扩散。因此N型半导体的自由电子会涌向P型半导体的空穴，同理，P型半导体的空穴也会涌向N型半导体的自由电子，可以说是双向奔赴。

双方会在交界处进行一对一的组合，如果没有人为干预，最终两块半导体的载流子肯定会绝大部分在交界处消耗殆尽。这片区域称为耗尽层、阻挡层，也可以叫做PN结。

此时注意，两块杂质半导体中还有少子，当少子运动到阻挡层时，会被对面的离子直接吸引过去。这种就叫做漂移运动。

最后，多子的扩散运动和少子的漂移运动会达到动态平衡。

在两边的掺入杂质元素的浓度一致时，两边的空间电荷区才一样宽度，否则浓度低的半导体空间电荷区宽（更容易被拉过去）。

但是PN结跟导电性有什么关系呢，本来两个导电的半导体的载流体互相消耗掉了，不是又变回不到点状态了吗？这里就要说到PN结的重要特性-单向导电性（只能从P->N）。

给PN结加一个电源

可以理解为用外电场来削弱内电场，并且一开是增加电压直到某一个值之前，电流都不会出现，称这个范围为死区。

当正向电压继续往上升，电流会在某一点出突然出现，并且随后跟电压的上升成指数级上升（势垒被削弱）。

加反向电压也不是一点电流都没有，因为会加强少子的漂移运动，只是电流小的可怜（并且这个电流对温度非常敏感）。

PN结的电流方程：

Is是反向饱和电流。
UT是温度当量，室温下UT = 26mv。
U是PN结外部电压。一般Ge管的导通电压是0.2-0.3V，Si管的导通电压是0.6-0.7V。

4.PN结特性

4.1 雪崩击穿

随着反向电压的提高，空间电荷区内电场增强，通过势垒区的载流子获得的能量也随之增加。当反向电压接近击穿电压UBR（上图）时，这些有较高能量的载流子与空间电荷区内的中性原子相遇发生碰撞电离，产生新的电子一空穴对。这些新产生的电子和空穴又会在电场的作用下，重新获得能量，碰撞其它的中性原子使之电离，再产生更多的电子一空穴对。这种连锁反应继续下去，使空间电荷区内的载流子数量剧增，就像雪崩一样，使反向电流急剧增大，产生击穿。所以把这种击穿称为雪崩击穿。

雪崩击穿一般发生在掺杂浓度较低、外加电压又较高的PN结中。这是因为掺杂浓度较低的PN结，空间电荷区宽度较宽，发生碰撞电离的机会较多。

4.2 齐纳击穿

当反向电压增大到一定值时，势垒区内就能建立起很强的电场，它能够直接将束缚在共价键中的价电子拉出来，使势垒区产生大量的电子一空穴对，形成较大的反向电流，产生击穿。

把这种在强电场作用下，使势垒区中原子直接激发的击穿现象称为齐纳击穿。

齐纳击穿一般发生在掺杂浓度较高的PN结中。这是因为掺杂浓度较高的PN结，空间电荷区的电荷密度很大，宽度较窄，只要加不大的反向电压，就能建立起很强的电场，发生齐纳击穿。

4.3 反向击穿的后果和作用

反向击穿后，引起PN结温度急剧升高，达到热击穿(二次击穿)，就无法撤回了，因为此时单单热运动就足以引发崩溃。会烧毁PN结，后果就是使其变成导体或者直接熔断了。

但是如果击穿了，但是没有到热击穿，这种情况是可以可逆的，也可以工作，可以回到正常状态。

并且击穿后（热击穿前）有一个重要特性，就是很大电流变化范围内，电压几乎不变，这就是稳压作用，可以用来做出稳压二极管。

雪崩击穿：温度越高，所需击穿电压越高。因为温度也越高，晶格振动会越剧烈，雪崩效应的撞击就更有可能撞到晶格上，效率更低了。
齐纳击穿：温度越高，所需击穿电压越低。因为温度越高，更容易逃离共价键的束缚。

4.4 PN结的电容效应

PN结很明显可以存储住电荷，因此可以看成是电容，又叫势垒电容。PN结的空间电荷区不是一成不变的，可以通过外加电压等各种因素改变，因此这个电容还是一个可变电容。