模电知识体系总结

第一章：常用半导体器件

1.1半导体基础器件

1.1.1本征半导体

纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。

常用的半导体材料硅(Si)和锗(Ge)均为四价元素。

在常温下，仅有极少数的价电子由于热运动(热激发)获得足够的能量，从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子。与此同时，在共价键中留下一个空位置，称为空穴。

运载电荷的粒子称为载流子。导体导电只有一种载流子，即自由电子导电;而本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电，这是半导体导电的特殊性质。

半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。

自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。

在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，故达到动态平衡。换言之，在定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。当环境温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多，即载流子的浓度升高，因而必然使得导电性能增强。反之，若环境温度降低，则载流子的浓度降低，因而导电性能变差。

本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。半导体材料性能对温度的这种敏感性，既可以用来制作热敏和光敏器件【好处】，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因【劣势】。

1.1.2杂质半导体

一、N型半导体

在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷)，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。N为Negative(负)的字头，由于电子带负电，故得此名。

N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，故称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子;简称前者为多子，后者为少子，由于杂质原子可以提供电子，故称之为施主原子。N型半导体主要靠自由电子导电，掺人的杂质越多，多子(自由电子)的浓度就越高，导电性能也就越强。

二、P型半导体

在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼)，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。P为Positive (正)的字头，由于空穴带正电，故得此名。

因而P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。与N型半导体相同，掺人的杂质越多，空穴的浓度就越高，使得导电性能越强。因杂质原子中的空位吸收电子，故称之为受主原子。

注意：掺杂浓度不可过高，少量掺杂不会改变晶体内部结构，但是掺杂浓度高了，会改变晶体内部的结构！

1.1.3 P N 结

采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成P N结。P N结具有单向导电性。

一、P N结的形成

物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。【即空穴从P向N扩散，电子从N向P扩散】

由于扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动的，称为空间电荷区，从而形成内电场。随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，其方向由N区指向P区，正好阻止扩散运动的进行。

在电场力作用下，载流子的运动称为漂移运动。当空间电荷区形成后，在内电场作用下，少子产生漂移运动，空穴从N区向P区运动，而自由电子从P区向N区运动。在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成P N结。

当P区与N区杂质浓度相等时，负离子区与正离子区的宽度也相等，称为对称结;而当两边杂质浓度不同时，浓度高一测的离子区宽度低于浓度低的一测，称为不对称P N结;两种结的外部特性是相同的。【对外等效】

绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴部都非常少，在分析P N结特性时常忽略载流子的作用，而只考虑离子区的电荷，这种方法称为“耗尽层近似”，故也称空间电荷区为耗尽层。

二、P N结的单向导电性

如果在P N结的两端外加电压，就将破坏原来的平衡状态。此时，扩散电流不再等于漂移电流，因而P N结将有电流流过。当外加电压极性不同时，P N结表现出截然不同的导电性能，即呈现出单向导电性。

P N结外加正向电压时处于导通状态

当电源的正极(或正极串联电阻后)接到P N结的P端，且电源的负极(或负极串联电阻后)接到P N结的N端时，P N结外加正向电压，也称正向接法或正向偏置。此时外电场将多数载流子推向空间电荷区，使其变窄，削弱了内电场，破坏了原来的平衡，使扩散运动加剧，漂移运动减弱。由于电源的作用，扩散运动将源源不断地进行，从而形成正向电流，P N结导通。【注意：内电场的产生是漂移作用，而漂移作用是少子的运动，所以很微弱，极易打破】
P N结外加反向电压时处于截止状态

当电源的正极(或正极串联电阻后)接到P N结的N端，且电源的负极(或负极串联电阻后)接到P N结的P端时，称P N结外加反向电压，也称反向接法或反向偏置。此时外电场使空间电荷区变宽，加强了内电场，阻止扩散运动的进行，而加剧漂移运动的进行，形成反向电流，也称为漂移电流。因为少子的数目极少，即使所有的少子都参与漂移运动，反向电流也非常小，所以在近似分析中常将它忽略不计，此时我们认为P N结外加反向电压时处于截止状态。

三、P N结的电流方程

P N结所加端电压u与流过它的电流i的关系为

.常温下，即T=300 K时，
UT≈26mVU_T ≈ 26 m V UT≈26mV

四、P N结的伏安特性

当P N结外加反向电压，
∣u∣>>UT时，i≈−IS|u| >> U_T 时， i ≈ -I_S ∣u∣>>UT时，i≈−IS
，称为P N结的伏安特性。其中u>0的部分称为正向特性，u<0的部分称为反向特性。

当反向电压超过一定数值U(BR)后，反向电流急剧增加，称之为反向击穿。击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。

在高掺杂的情况下，因耗尽层宽度很窄，不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子-空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿，可见齐纳击穿电压较低。如果掺杂浓度较低，耗尽层宽度较宽，那么低反向电压下不会产生齐纳击穿。【升温使齐纳击穿电压下降：温度升高导致电子能量增多，更容易挣脱共价版键的束缚，只要提高一点外加电压即可使电子脱离共价键，所以齐纳击穿电压降低】

当反向电压增加到较大数值时，耗尽层的电场使少子加快漂移速度，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生电子-空穴对。新产生的电子与空穴被电场加速后又撞出其它价电子，载流子雪崩式地倍增，致使电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿。【升温使雪崩击穿电压上升：温度升高使晶体震动，减少了电子的加速距离，更容易撞到晶体，没有足够的加速，很难撞散共价键】

五、P N结的电容效应

势垒电容

当P N结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增大或减小，这种现象与电容器的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容C。C p 具有非线性，它与结面积、耗尽层宽度、半导体的介电常数及外加电压有关。利用P N结加反向电压时C,随u变化的特性，可制成各种变容二极管。
扩散电容

P N结处于平衡状态时的少子常称为平衡少子。P N 结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子。当外加正向电压一定时，靠近耗尽层交界面的地方非平衡少子的浓度高，而远离交界面的地方浓度低，且浓度自高到低逐渐衰减，直到零。形成一定的浓度梯度(即浓度差)，从而形成扩散电流。当外加正向电压增大时，非平衡少子的浓度增大且浓度梯度也增大，从外部看正向电流(即扩散电流)增大。当外加正向电压减小时与上述变化相反。

本文为自己学习模电时的总结和一些课外知识的补充拓展，图片和知识来源于：

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