半导体——本征半导体、杂质半导体、PN结

本征半导体

有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗（Ge）、硅（Si）、砷化镓（GaAs）和一些硫化物、氧化物等。

半导体的导电特性

热敏性：环境温度升高时，到点能力显著增强（可做成温度敏感元件，如热敏电阻）

光敏性：受到光照是，导电能力明显变化（可做成各种光敏元件）

掺杂性：在纯净的半导体中，掺入适量的杂质，会使半导体的导电能力有成百万倍的增长，使半导体获得了强大的生命力。

人们正是通过掺入某些特定的杂质元素，人为地、精确地控制半导体的导电能力，将其制造成各种性质、用途的半导体器件（如二极管和三极管、场效晶体管、晶闸管以及集成电路等）。

本征半导体（Intrinsic Materials）

完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。

共价键中的两个电子，称为价电子（valence electrons）

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本征激发形成自由电子和空穴，失去自由电子的硅原子带正电，在外电场的作用下，将会吸附相邻的共价键中的价电子来填补空穴，此现象成为复合。而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动。

本征激发和复合过程在一定温度下会达到动态平衡

半导体中将出现两部分电流
(1)自由电子作定向运动 ——> 电子电流
(2)价电子复合空穴 ——>空穴电流

自由电子和空穴都称为载流子

注意：
(1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差；
(2) 温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。
温度对半导体器件性能影响很大。

杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。

掺杂五价元素后，自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，成为电子半导体；自由电子带负电故又可称为N型半导体。

N型半导体中自由电子数量大大增加，也一定会产生空穴。因为本征激发是客观存在的，将成对的产生自由电子和空穴，只不过在此半导体中，自由电子的数量要多于空穴，故将处于多数载流子称为多子：自由电子；处于少数载流子称为少子：空穴

掺入三价元素，空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体；空穴带正电故又称为P型半导体；多数载流子为空穴，少数载流子为自由电子

在杂质半导体中，多子主要来源于掺杂，少子主要来源于本征激发，故多子的浓度主要取决掺杂浓度，少子的浓度与温度密切相关。

少子是通过本征激发，成对产生的自由电子或空穴中的一种，而掺杂入了另外一种多子之后，多子浓度的增加会增大复合的机会，因此掺入了杂质以后的杂质半导体中少子比未掺杂前的少子数目将会减小

无论是N性还是P性都有一种载流子占多数，但是多出的载流子数目将于杂质离子所带的电荷数目始终保持平衡，也就是说杂质半导体既没有得到电荷也没有失去电荷，因此杂质半导体呈现电中性。

温度变化时，由于本征激发载流子数目会增加

在本征激发过程会成对产生自由电子和空穴，所以变化的数量是相同的。因为多子数量要大大的多于少子，因此，同样的数量，两者的变化浓度是不相同的。少子的浓度变化更加剧烈，所以少子的浓度对温度更加敏感。

杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。

PN结

P型半导体和N型半导体交界面的特殊薄层，通过载流子的运动形成的

两者的交界面存在浓度差，对N型半导体来说P型半导体里的空穴是高浓度的，而对于P型半导体而言N型半导体里的自由电子是高浓度的，多子会向对方区域扩散运动，称之为多子的扩散运动。

扩散的结果使得P型半导体中的空穴进入了N型半导体，而N型半导体中的自由电子进入了P型半导体。分别复合了邻近区域的自由电子和空穴，留下了不能移动的正离子和负离子，将此区域称为空间电荷区。

在正离子和负离子作用下形成一个内电场，方向由N区指向P区，内电场阻碍多子的运动；对少子的运动则是促进的作用，少子将在内电场的作用下向对方区域运动，称之为漂移运动。

扩散和漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度保持不变，称为PN结形成；由于内部载流子被耗尽了，也称为耗尽层；由于内电场的出现，对载流子的运动有阻碍作用，因此又叫势垒区。

PN结的单向导电性

PN 结加正向电压（正向偏置） P接正、 N接负

此时由于电源的作用，将会在PN结上产生一个外电场，外电场促进多子的扩散运动，使多子进一步进入空间电荷区，使得空间电荷区变窄。

多子在外电场作用下定向移动形成较大的正向电流。

PN 结加正向电压时：
正向电阻较小，处于导通状态
PN 结加反向电压（反向偏置）P接负、 N接正

外电场会阻碍多子扩散，而促进少子的漂移运动。少子漂移运动进入空间电荷区后，会使空间电荷区变宽，增大了势垒。少子在外电场作用下定向移动，形成很小的反向电流。

PN 结加反向电压时：
反向电阻较大，处于截止状态。

当温度升高时，少子的浓度急剧增大，因此反向电流也会随温度的升高而增大。

PN结的电容效应

势垒电容Cb

PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的聚集和释放的过程，犹如电容的充放电，其等效电容称为势垒电容Cb 。
Cb=ε∗SlCb=\varepsilon*\frac{S}{l} Cb=ε∗lS

ε：介电常数；S：是PN结的截面积；l：是耗尽层的宽度\varepsilon：介电常数；S：是PN结的截面积；l：是耗尽层的宽度 ε：介电常数；S：是PN结的截面积；l：是耗尽层的宽度

动态的等效电容

势垒电容在反向偏置时显得更为重要。在PN结反偏时结电阻很大， Cb的作用不能忽视，对信号的高频有很大的影响。

扩散电容

PN结外加的正向电压变化时，在扩散过程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd

Cd 是非线性电容，PN结正偏时，Cd较大，反偏时载流子数目很少，因此反偏时扩散电容数值很小。一般可以忽略。

结电容

扩散电容和势垒电容之和称之为结电容

正向偏置时，扩散电容起主要作用；
反向偏置时，势垒电容起主要作用；
势垒电容和扩散电容均是非线性电容；
在高频时，对电路有较大的影响；
容数值很小。一般可以忽略。

结电容

扩散电容和势垒电容之和称之为结电容

正向偏置时，扩散电容起主要作用；
反向偏置时，势垒电容起主要作用；
势垒电容和扩散电容均是非线性电容；
在高频时，对电路有较大的影响；
若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性；