模电笔记1.1 半导体基础与 PN 结

模拟电子技术笔记 1.1:半导体基础与 PN 结

1. 半导体

半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。常用半导体材料有:

  • 硅(Si)
  • 锗(Ge)

半导体的导电性能对温度、光照和掺杂等外界因素十分敏感。

2. 本征半导体

本征半导体是纯净、晶体结构完整的半导体。

2.1 共价键结构

硅和锗均为四价元素。晶体中,每个原子与周围四个相邻原子形成共价键,使价电子受到束缚。

2.2 本征激发与复合

  • 本征激发:价电子获得足够能量后挣脱共价键,成为自由电子,同时在原位置留下一个空穴。因此,自由电子和空穴总是成对产生。
  • 复合:自由电子重新填入空穴,电子---空穴对消失。

在热平衡状态下,本征激发和复合同时存在,并达到动态平衡。本征半导体中的电子浓度与空穴浓度相等:

n=p=ni n=p=n_i n=p=ni

其中,nin_ini 为本征载流子浓度。

2.3 温度的影响

温度升高时,更多价电子获得能量并发生本征激发,因此电子和空穴浓度增大,半导体导电能力增强。

半导体具有负温度系数:温度升高时,其电阻率通常下降。

3. 杂质半导体

在本征半导体中掺入少量特定杂质,可显著提高其导电能力。掺杂后的半导体称为杂质半导体。

3.1 N 型半导体

在硅或锗中掺入五价元素(如磷 P、砷 As),杂质原子提供一个多余的自由电子,因此称为施主杂质。

  • 多数载流子:自由电子
  • 少数载流子:空穴
  • 施主原子失去电子后成为带正电的固定离子

3.2 P 型半导体

在硅或锗中掺入三价元素(如硼 B、镓 Ga),共价键中缺少一个电子,形成空穴,因此这类杂质称为受主杂质。

  • 多数载流子:空穴
  • 少数载流子:自由电子
  • 受主原子得到电子后成为带负电的固定离子

N 型和 P 型半导体整体仍呈电中性。"N 型带负电、P 型带正电"的说法是不准确的。

3.3 少数载流子与温度

少数载流子主要由本征激发产生,因此受温度影响明显。温度升高时,少数载流子浓度显著增加。

4. PN 结的形成

将 P 型区和 N 型区制作在同一块半导体材料上,两区交界处会形成 PN 结。

4.1 扩散运动

由于交界面两侧存在载流子浓度差:

  • N 区的多数载流子电子向 P 区扩散;
  • P 区的多数载流子空穴向 N 区扩散。

电子与空穴在交界面附近复合,使该区域缺少可自由移动的载流子,并留下不能移动的离化杂质离子。

4.2 空间电荷区与内建电场

交界面附近形成空间电荷区 ,也称耗尽层 或阻挡层:

  • P 区一侧留下带负电的受主离子;
  • N 区一侧留下带正电的施主离子。

这些固定电荷形成由 N 区指向 P 区的内建电场。内建电场阻碍多数载流子的扩散,并促使少数载流子发生漂移。

4.3 动态平衡

  • 扩散运动:由载流子浓度差引起;
  • 漂移运动:由电场作用引起。

无外加电压时,当扩散电流与漂移电流大小相等、方向相反,PN 结达到动态平衡,总电流为零。

5. PN 结的单向导电性

状态 外加电压 耗尽层 势垒 电流
正向偏置 P 区接正极,N 区接负极 变窄 降低 较大,PN 结导通
反向偏置 P 区接负极,N 区接正极 变宽 升高 很小,PN 结截止

5.1 正向偏置

外加电场与内建电场方向相反,使势垒降低、耗尽层变窄,多数载流子的扩散运动增强,形成较大的正向电流。

5.2 反向偏置

外加电场与内建电场方向相同,使势垒升高、耗尽层变宽,多数载流子的扩散受到抑制。此时只有少数载流子形成很小的反向电流。

6. PN 结的伏安特性

理想 PN 结的电流方程为:

i=IS(euUT−1) i=I_S\left(e^{\frac{u}{U_T}}-1\right) i=IS(eUTu−1)

其中:

  • iii:流过 PN 结的电流;
  • uuu:PN 结两端电压;
  • ISI_SIS:反向饱和电流,受温度影响显著;
  • UTU_TUT:温度电压,在室温(约 300 K300\,\mathrm{K}300K)下约为 26 mV26\,\mathrm{mV}26mV。

由该式可知:

  • 正向电压增大时,电流按指数规律迅速增大;
  • 反向电压尚未达到击穿值时,电流近似为 −IS-I_S−IS。

7. PN 结的反向击穿

当反向电压增大到击穿电压时,反向电流会急剧增大,这一现象称为反向击穿。

常见击穿机理包括:

  • 齐纳击穿:掺杂浓度较高、耗尽层较薄,通常发生在较低反向电压下;
  • 雪崩击穿:掺杂浓度较低、耗尽层较宽,通常发生在较高反向电压下。

7.1 击穿电压的温度特性

  • 齐纳击穿具有负温度系数:温度越高,齐纳击穿所需的反向电压越低;
  • 雪崩击穿具有正温度系数:温度越高,雪崩击穿所需的反向电压越高。

注意:这里讨论的是温度变化引起的击穿电压变化,不是两种击穿机理的典型电压高低。约在 5∼6 V5\sim6\,\mathrm{V}5∼6V 附近,两种击穿机理可能同时存在,温度系数也可能接近于零。

击穿本身不一定造成损坏;只要通过外部电路限制电流,使 PN 结的功耗不超过允许值,撤去反向电压后仍可恢复。若电流过大导致过热,则可能发生不可逆的热击穿。

8. PN 结的电容效应

PN 结具有电容效应,主要包括:

  1. 势垒电容(结电容)CjC_jCj:由耗尽层宽度随外加电压变化产生,在反向偏置时较为明显。
  2. 扩散电容 CdC_dCd:由正向偏置时载流子的注入和积累产生,在正向导通时较为明显。

通常可将 PN 结的等效电容写为:

C=Cj+Cd C=C_j+C_d C=Cj+Cd

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