半导体基本知识

半导体的概念：导电性能介于导体与绝缘体之间。
半导体的重要物理特性：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。
半导体材料还有一些特殊性质，比如，当半导体收到外界光和热的激励时，其导电能力将发生显著变化；在纯净的半导体中加入微量的杂质，其导电能力会显著变化。

本征半导体

概念：一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
本征半导体的二维晶体结构，以硅为例，如图所示，
本征激发：在温度较低时，每一个原子的外围电子被共价键所束缚，被束缚的电子对传导电流没有贡献。当温度身高时，被束缚的价电子就会获得足够的随机热振动（热运动）能力，从而挣脱共价键的束缚，成为为自由电子。这种现象就是本征激发。
空穴：当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，这个空位就是空穴。空穴也是半导体区分于导体的一个重要特征。空穴在电场作用下具有吸引力，引起周围未挣脱束缚的电子过来填充，一旦有电子过来填充就形成了新的空穴，依次循环。(因此空穴也可以导电啦）
自由电子：受本征激发之后，脱离共价键束缚的电子。（可以导电啦）
载流子：电流载体。由上可知，本征激发产生了两种载流子 — 电子和空穴。本征半导体内载流子都是成对出现的。
复合（与本征激发相反）：自由电子在整个晶体内乱跑，那么就有一定的机率跑到空穴里面去，一旦进入空穴中，重新变成了共价键的价电子（这样就不能再导电啦），这个过程就是复合。
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，复合现象是经常发生的。当载流子（电子和空穴）的复合率和产生率相等时，就达到了一个动态平衡。
问题来了，这个动态平衡是怎么达到的呢？在本征半导体中，载流子的浓度与温度有关，温度越高，本征激发越容易，载流子浓度就越高，载流子浓度高了也使得复合的几率变大了。从而形成一个动态的平衡。

杂质半导体

本征半导体的载流子是由热运动激发的。局限性太大，且导电能力偏弱。而半导体材料本身具有可掺杂性，那么在本征半导体中掺入一定浓度的杂质半导体可解决上面的局限性。

N型半导体

掺入少量的5价元素杂质（磷、砷、锑），5个电子只用了4个便形成了共价键，还有1个非常容易逃脱原子的束缚，其实就相当于给它自由电子，这种元素杂质也成为施主杂质。而此类半导体内依然存在本征激发，所以它依然还是有两种载流子：电子和空穴。
多子：多数载流子（自由电子），因为这个是主要导电的载流子，而自由电子带负电，所以成为N（Negative）型半导体。
少子：少数载流子（空穴），这里有个小思考哦，空穴的浓度会比本征半导体因为本征激发而产生的空穴浓度少吗？“掺入了自由电子”那么被复合的空穴是不是多了？
温度的影响：多子受温度影响小，而少子受温度影响大，这个很容易理解。如果半导体器件中的某个特性是与少子有关，那么它受温度的影响就很大。
N型半导体里面的多子是自由电子，而自由电子带负电，那么N型半导体带负电吗？显然不是，因为杂质元素失去了自身的一个价电子，它变成了离子，带正电，整个半导体还是呈电中性的。正离子是被仅仅的束缚在晶格中的不能移动，所以不能导电。

P型半导体

原理与N型半导体类似
掺入少量的3价元素杂质（硼等），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，在晶体中便产生了一个空位，形成空穴。
空穴如何作为载流子前面也说过，相邻共价键上的电子可能会去填补此空穴，从而形成了空穴的移动。
多子：空穴，空穴是导电的主体，所以称为P（Positive）型半导体
少子：电子

PN结

扩散运动
- 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。
当把P型半导体跟N型半导体放一块时，发生扩散运动，自由电子从N型区向P型区扩散，空穴从P型区向N型区扩散，如上图。由于扩散运动，这个交界区的电中性被破坏，P区失去空穴，留下带负电的杂质离子，而N区失去电子，留下带正点的杂质离子。而带电离子紧束缚在晶格内，不能移动，从而在PN区交界处形成了一个空间电荷区，这就是PN结。因为此处的多数载流子都被复合掉了，所以此区也称为耗尽区。
出现了空间电荷区后，由于正负离子之间的相互作用，在空间电荷区形成了一个内电场。如上图，内电场阻止载流子扩散运动。扩散运动越强，空间电荷区越宽。
如果只有一味的扩散运动，尽管有内电场的阻止，但是PN结终究会被消耗殆尽。那么是怎么达到平衡的呢？这就引出了漂移运动。
漂移运动
- 由于热能激发，半导体内的载流子将作随机的无定向运动，载流子在任意方向的平均速度为零。但是内电场的形成，给了这些载流子方向与速度。
内电场使得N区的少数载流子空穴向P区漂移，而P区少数载流子电子向N区漂移，方向正好与扩散运动相反。漂移运动越强，空间电荷区越窄。
扩散运动和漂移运动是互相联系又互相对立的。从而达到动态平衡。
势垒：在PN结空间电荷区内，电子要从N区到P区必须越过一个能量高坡（同理，空穴要从P区到N区也要越过一个能量高坡），如图所示，一般称此能量高坡为势垒。Ubo是势垒电位。
如果PN结两个区内的注入杂质浓度不一样呢？这会形成什么？其实就是P区跟N区的宽度，如果浓度相同，两边就是对称的为对称PN结；如果浓度不同，就形成不对称型PN结。

PN结的单向导电型

如果外加电压（正向偏置），PN结PN结，从P到N，正向偏置。可见外电场削弱了内电场的作用，使势垒降低了，从而使扩散运动得以恢复。
如果加反向电压，反向偏置，加强了内电场的作用，使得势垒变高了，此时加强了漂移运动，但是漂移运动是少子作用的，因此电流很小可忽略。但是这里有个注意的：这个电流受温度影响很大。

PN结伏安特性

电流方程：i=Is(euUT−1)i=I_{s}(e^{\frac{u}{U_{T}}}-1) i=Is(eUTu−1) UT=26mV，室温U_{T}=26mV，室温UT=26mV，室温
Ge管的导通电压：0.2 ~ 0.3V；Si管：0.6 ~ 0.7V
Is是反向饱和电流，图中没有表现出来，画的十分理想。
记住：PN结的伏安特性曲线上浑身是宝。
正向特性：有一个电压死区。外加电压低于这个值时，PN结不导通。
反向特性：有微弱的饱和电流Is
反向击穿：加在PN结两端的反向电压增到到一定数值时，反向电流突然增加。此时有电压有电流，PN结做功发热，易烧毁PN结。
- 雪崩击穿（掺杂浓度低，PN结比较宽）
  - 碰撞电离： PN结反向电压增加时，内电场（耗尽层）加宽，如果有足够的长度，它就形成了一个粒子加速器，当一个自由电子进入的时候，被加速获得足够的动能，与晶体原子发生碰撞，从而打破了共价键的束缚，形成更多的自由电子-空穴对，这个现象就是碰撞电离。
  - 倍增效应：新产生的电子和空穴与原有的电子和空穴一样，在强电场下获得足够的动能，继续碰撞电离，再产生自由电子-空穴对，这就是载流子的倍增效应。
  - 当反向电压增大到某一个数值后，载流子的倍增情况就像陡峻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，这就是雪崩击穿。
- 齐纳击穿（掺杂浓度高，PN结比较薄）
  - 空间电荷区存在一个很强的电场，它能破坏共价键的束缚，将电子分离出来形成电子-空穴对，在电场作用下，电子移向N区，空穴移向P区，形成较大的反向电流，这种现象就是齐纳击穿。有兴趣可以了解下隧道效应。
- 齐纳击穿的物理过程跟雪崩击穿完全不同。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。齐纳击穿多出现在特殊的二极管中，如齐纳二极管（稳压二极管）。
- 雪崩击穿和齐纳击穿这两种电击穿是可逆的，降低反向电压即可。但是前提条件：没有发生热击穿，也就是反向电路和反向电压的乘积不超过PN结允许的耗散功率，超过了就会因为热量散不出去，导致烧毁。
- 热击穿与电击穿是两个不同的概念，往往这两种击穿是并存的，电击穿可以被利用，但是热击穿是要避免的。
- 反向击穿我们可以用来干嘛呢？查看图可以发现，很大的电流变化范围，而电压不变，这不就是稳压的概念吗？因此可以用来做稳压二极管。
- 温度对这些击穿有什影响呢？
  - 对雪崩击穿而言，温度越高，要达到雪崩击穿所需的反向电压越大。 怎么理解这句话呢？由雪崩击穿的原因我们知道，要达到一定的动能，也就是电子要被加速到一定的速度才能发生碰撞电离，如果温度越高，晶格热振动越厉害，那么就加大了电子碰撞共价键的几率，也就是电子的加速行程（粒子加速器的轨道）变短了，要想达到足够的动能，那么外加的电场就要增加。
  - 对齐纳击穿而言，温度越高，要达到齐纳击穿所需的反向电压越小。 这个很好理解，齐纳击穿的本质就是共价键里面的电子由外部强电场的作用下逃脱了束缚，那么温度越高，越容易逃脱，所以所需的反向电压越小。

PN结的电容效应

我们观察PN结，这个很像什么？一边正电荷一边负电荷，是不是跟电容很像。
电容是什么？为什么要引入电容这个概念？电容的特性：电压与电荷量的关系，在相同的电压变化范围内，电容量不一样，电容里面电荷储存量不一样。
如图所示：当外加反向电压变化增大时，PN结越来越厚，电荷量越来越大。这不正是电容效应？因为外加反向电压，所以是势垒电容。势垒电容是非线性的。

扩散电容：PN结正向偏置时，P区的空穴将向N区扩散，结果导致到达N区的空穴靠近结边缘的浓高于距结稍远处的浓度。同理N区的电子也是如此。从而产生了扩散电容。
如下图，以1线为参考点，当外加电压增高时，浓度达到2线；外加电压降低时，浓度达到13线。

PN结耗尽层宽度与掺杂杂质浓度的关系

前面提到雪崩击穿与齐纳击穿的时候，有个耗尽层宽度与浓度的关系，这里做下解释。
高掺杂时耗尽层两端的浓度差大，多子的扩散运动剧烈，空间电荷区理论上加宽，但是空间电荷区产生的内电场导致少子的漂移运动也剧烈，空间电荷区又要变薄，最终达到动态平衡。相对低掺杂时达到动态平衡所需的时间更短，载流子运动距离短，电子和空穴很快就复合了，耗尽层也就窄了。

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