半导体

半导体的共价键结构

硅是四价元素，原子的最外层轨道上有4个电子，称为价电子。

本征半导体

本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。

半导体重要的物理特征是它的电导率，电导率与材料内单位体积中所含的电荷载流子的数目有关，

电荷载流子的浓度越高，其电导率越高。
电荷载流子的浓度取决于很多因素，包括材料的基本性质、温度值以及杂质的存在。
半导体的中共价键对电子的束缚并不像绝缘体那样牢固，例如在室温下，被束缚的价电子就会获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键的束缚，称为自由电子，这种现象称为本征激发。

空穴

当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键中就会留下一个空位，这个空位就是空穴。
空穴的出现是半导体区分于导体的一个重要特征。

共价键的电荷转移：由于共价键中出现了空位，在外加电场或其他能量的作用下，邻近的价电子就有可能填补到这个空位上，而这个价电子原来的位置上就会留下来新的空位，以后其他价电子又可以转移到这个新空位上。

在本征半导体中，受共价键束缚的电子，在电场力的作用下能够产生移动的并形成电流的根本原因是出现了空穴。也就是说，当共价键出现了空穴以后，受束缚的电子也能参与导电。而空穴又是失去电子以后留下的空位，它的移动也能完全代表受共价键束缚的电子的移动，只是方向相反。

可以将空穴看成一个带正电荷的粒子，它所带的电荷量与电子相等，电极性相反。在外加电场的作用下，空穴也可以自由地在晶体中运动，从而和自由电子一样参与导电。

空穴是一种载流子，只不过这种载流子的运动，是人们在根据共价键中出现空位的移动虚拟出来的，它实际上反映的是共价键中受束缚的电子的移动。空穴越多，半导体中中载流子的数目就越多，因此形成的电流也就越大。

在本征半导体内，自由电子与空穴是成对出现的。在任何时候，自由电子的浓度与空穴的浓度总是相等。

在热能的激励下，晶体中的共价键结构就会被打破，以一定的速率成对地产生自由电子和空穴。另一方面，当一个自由电子与空穴相遇，自由电子就会落在空穴中，两者同时消失，这一现象称为自由电子与空穴的复合。实际上，半导体中一旦出现了一定浓度的自由电子和空穴后，复合现象是经常出现的。当载流子的复合率等于产生率时，便达到一种动态平衡。

当温度升高时，将产生更多的自由电子和空穴，意味着载流子的浓度升高，晶体的导电能力也会增强。换言之，本征半导体的电导率将随温度的升高而增加。

在本征半导体中，载流子是由热激发产生的。在室温下，不仅其浓度距半导体有明显导电能力的浓度相差甚远，而且，这种半导体的导电性与温度密切相关，这是电路工作时不期望看到的。

在本征半导体中渗入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的改变。根据渗入的杂质的性质不同，可分为空穴§型半导体和电子(N)型半导体两大类。

在硅晶体内渗入少量三价元素杂质，如硼等，因硼原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中变产生一个空位，当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位，使硼原子成了不可移动的负离子，而原来的硅原子的共价键因为缺少一个自由电子则形成了一个空穴，但整个半导体仍呈电中性。因为硼原子在晶体当中能接受电子，故称硼为受主杂质或P型杂质。此外还有铟与铝。通过控制渗入杂质的多少，可以方便地控制空穴数量。

在加入受主杂质产生空穴的同时，并不产生自由电子，但由于在常温下导体中本征激发的存在，仍会产生和一定数量的自由电子-空穴对，不过与掺杂引起的空穴数量相比，本征激发出的自由电子的数量远小于空穴的数量。也就是说，在这种P型半导体中，空穴为多数载流子（简称多字），自由电子为少数载流子（简称少子），空穴是导电的主体。

空穴的浓度 = 受主原子的浓度 + 少子电子的浓度
通常掺杂浓度远大于本征激发载流子的浓度。

N型半导体

为在半导体中产生更多的自由电子，可以将一种五价元素的杂质（施主杂质或N型杂质）掺入硅的晶体中，这种杂质原子在半导体内与周围的硅原子构成共价键时，将多出一个价电子。

典型的施主原子有五价原子磷、砷和锑，当一个施主原子磷加入硅半导体时后，其多余的电子易受热激发而成为自由电子。自由电子参与传导电流，它移动后，在施主原子的位置上留下一个固定的、不能移动的正离子，但半导体仍是电中性的。

正因为掺入施主原子的半导体会有多余的自由电子，故称之为电子型半导体或N型半导体。

在N型半导体中，自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。

施主原子的浓度 = 自由电子的浓度 + 少子空穴的浓度

半导体掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。若每一个受主都能产生一个空穴或者每个施主都能产生一个自由电子，则尽管杂质的含量很微小，但它们对半导体的导电能力却有很大的影响。因而在半导体中掺入杂质是提高半导体导电能力的最有效方法。

杂质半导体中产生的本征激发产生的载流子数量要远小于掺杂产生的载流子的数量，其导电性能主要取决于掺杂程度。

漂移运动

由于热能的激发，半导体内的载流子将作随机的无定向移动，载流子在任意方向的平均速度为零。若有电场加到晶体上，则内部载流子将在电场力的作用下定向移动。对于空穴而言，移动的方向跟电场的方向相同，而自由电子的移动方向与电场的方向相反。由于电场作用而导致载流子的运动称为漂移。

在硅材料内电子移动的速度约为空穴的移动速度的3倍，迁移率反映了载流子的移动能力，由于空穴代表了受共价键约束的的电子的移动，所以在相同条件下比自由电子移动速度要慢。

各种三段端器件（含半导体三极管、场效应管等）的导电机制，主要是有空穴或自由电子导电构成的。
在数字电路或高频模拟电路中，电子导电器件优于空穴导电器件。

扩散运动

在半导体中，优于制造工艺和运行机制等原因，致使某一定区域内，其空穴或电子的浓度高于正常值。基于载流子的浓度差异和随机热运动，载流子会从高浓度区域向低浓度区域扩散，从而形成扩散电流。

PN结的形成

在半导体的两个不同区域分别掺杂三价和五价杂质元素，便形成了P型区和N型区。这样，在它们的交界处就出现了自由电子和空穴的浓度差异，N型区的自由电子的浓度很高，P型区内空穴的浓度很高。电子和空穴都要从浓度高的区域向浓度低的区域扩散。即有些自由电子要从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散，它们扩散的结果使P区和N区交界处原来呈现的电中性遭到破坏。

P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子；N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子，

半导体离子虽然都带电，但由于物质结构的关系，它们不能任意移动，因此并不参与导电。

这些不能移动的带电离子集中在P区和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的PN结。

在这个区域内，多数的载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此空间电荷层有时称为耗尽层。

由于该区域的载流子的浓度很低，所以电阻率很大。扩散越强，空间电荷区就越宽。

在出现空间电荷之后，由于正负离子之间的相互作用，在空间电荷区中就形成了一个电场，其方向是从带正点的N区指向带负电的P区。由于这个电场不是外加电压形成的，而是有PN结内部形成的，故称为内电场，作用是阻止载流子的扩散运动。

扩散运动与漂移运动时相互联系又相对立的，扩散使空间电荷区加宽，电场增强，对多数载流子扩散的阻力增大，但使少数载流子的漂移增强；而漂移使空间电荷区变窄，电场减弱，又使扩散容易进行。当漂移运动与扩散运动相等时，空间电荷区便处于动态平衡之间。
PN结的基本特性------单向导电性，只有在外加电压时才显示出来。

外加正向电压（正极接在P区，负极接在N区）
在这个外加电场的作用下，PN结的平衡就会被打破，P区的空穴进入PN结后，就要和原来一部分负离子中和，使P区的空间电荷量减少。同理，当N区电子进入PN结后，中和了部分正离子，使N区的空间电荷量减少，结果使PN结变窄，即耗尽层厚度变薄，器电阻变小。再加上半导体本身的电阻和PN结上的电阻相比阻值很小，所以大部分外加电压都落在PN结上。PN结的宽度变小，其内电场变小，有利益载流子的扩散运动，形成扩散电流。因此，PN结的电流由扩散电流所决定。
当外加电压增大时，电场进一步减弱，扩散电流随之增加。这样，正向的PN结表现为一个很小的电阻，此时也称为PN结导通。

外加反向电压（正极接在N区，负极接在P区）

外加电压形成的外电场方向与PN结内电场方向相同，因此漂移运动增强，PN结的宽度增大，阻碍了多数载流子的扩散运动，因此扩散电流趋近于零，因此PN结的电流由漂移电流所决定。漂移电流的方向与扩散电流的方向相反，表现在外电路上有一个流入N区的反向电流，它是由少数载流子的漂移运动形成的。由于电流很微弱的，一般硅管为微安数量级。又由于少量载流子是由本征激发产生的，当管子制成后，少量载流子的浓度取决于温度，换言之，少量载流子的数量是一定的，它几乎与外加电压无关。
PN结在反向偏置时，呈现出一个阻值很大的电阻，此时可认为它基本上是不导电的，称为PN结截止。

总结为：PN结加正向电压时，电阻值很小，基本上可看成导线，PN结导通；加反向电压时，电阻值很大，可看成断路，PN结截止，这就是PN结的单向导电性。

PN结具有单向导电性的关键是耗尽层的存在以及耗尽层宽度随外加电压不同而变化的特性。
当温度一定时，反向饱和电流是个常数，不会随着温度的变化而变化。

PN结的反向击穿

如果加到PN结两端的反向电压增大到一定数值时，反向电流就会增加，这个现象就称为PN结的反向击穿。发生击穿所需的反向电压称为反向击穿电压。PN结电击穿后电流很大，容易使PN结发热。这时PN结的电流和温度进一步升高，从而容易烧毁PN结。反向击穿电仪与PN结的制造系数有关。

产生PN结击穿的原因是，当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随之增强，产生漂移运动的少数载流子通过空间电荷区时，在很强的电场作用下获得足够的动能，与晶体原子发生碰撞，从而打破共价键的束缚，形成更多的自由电子-空穴对，这种现象就称为碰撞电离。新产生的电子与空穴与原有的电子和空穴一样，在强电场的作用下获得足够的能量，继续碰撞电离，再产生电子-空穴对，这就是载流子的倍增效应。

雪崩击穿

当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像在陡峭的积雪山坡上发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增大，于是PN结被击穿。**

齐纳击穿

在较高的反向电压下，PN结的空间电荷区存在一个很强的电场，它能够破坏共价键的束缚，将电子分离出来产生电子-空穴对，在电场的作用下，电子移向N区，空穴流向P区，从而形成较大的反向电电流。齐纳击穿所需的电场强度约为2*10的5次方 V/m，这只有在杂质浓度特别高的PN结中才能达到。
因为杂质浓度很大，空间电荷区达的电荷密度也大，因而空间电荷区很窄，电场强度就有可能很高。

齐纳击穿的物理过程和雪崩击穿完全不同。一般整流二极管掺杂浓度较低，它的电击穿多数是雪崩击穿。齐纳击穿多数出现在特殊的二极管中，如齐纳二极管（稳压二极管）。

这两种击穿的过程是可逆的。当加在稳压二极管两端的反向电压降低后，管子仍可以恢复到原来的状态。但有一个前提条，反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率，超过了就会因为热量会散不出去而导致PN结温度上升，直到过热烧毁，这种现象就是热击穿。

电击穿可以为人所用，而热击穿是尽量避免的。

PN结的空间电荷区又称为耗尽层或势垒层。

扩散电容

当PN结处于正向偏置时，P区的空穴将向N区扩散，其结果导致到达N区的空穴在靠近结边缘的浓度高于距结稍远处的浓度。这种超量的空穴浓度可视为电荷存储到PN结的邻域。存储电荷量的大小，取决于PN结上所加的正向电压的值的大小。离结越远，空穴的浓度越低，这是因为空穴在N区域多数载流子----自由电子产生复合所致。N区的电子向P区扩散的情况与此类似。

若外加正向电压有一增量V，则相应的空穴扩散运动在结的附近产生一电荷增量Q，二者之比就是扩散电容。

PN结在正向偏置时，累积在P去的电子和N区的空穴随正向电压的增加而很快增加，扩散电容较大。反向偏置时，因为载流子数目很少，所以扩散电容数值很小，一般可忽略。

势垒电容

PN结处于反向电压，当外加电压增大时，结电场增强，多数载流子被拉出而远离PN结，势垒区将增宽；反之，当外加电压减小时，势垒区变窄。势垒区的变化意味着区内存储的正负离子电荷数的增减，类似于平行班电容器两极板上电荷的变化。

关于反向电压增大，空间电荷区变宽的解释（目前见过解释得最清楚的）：

耗尽层就是在PN结附近，其中的载流子因扩散而耗尽，只留下不能移动的正负离子的区域，又称空间电荷区。在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。P 型半导体一边的空间电荷是负离子，N 型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。当PN结外加反向电压时，内外电场的方向相同，在外电场的作用下,载流子背离PN结运动，结果使空间电荷区变宽,耗尽层会（变宽）变大。PN结外加正向电压时，扩散电流大于漂移电流，耗尽层将变窄。

二极管的电容效应在交流信号作用下才会表现出来。

势垒电容在正偏和反偏时均不能忽略。而反向偏置时，由于少数载流子数目很少，可忽略扩散电容。

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