1.PN结

PhiL
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常用半导体器件

1.1 基础知识

1.1.1 本征半导体

一、半导体

  1. 概念:导电能力介于绝缘体和导体之间的材料。
  2. 本征半导体:纯净的半导体，具有晶体结构的半导体。

二、本征半导体的晶体结构

image.png

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三、载流子(承载电流的粒子)

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  • 本征激发:自由电子从共价键中逃逸留下空穴的过程叫做本征激发。
  • 自由电子:可以导电。
  • 空穴:自由电子的填补造成了空穴的相对移动，可以导电。
  • 复合:自由电子偶然撞击到空穴内的过程。自由电子的速度和温度决定了复合的快慢。

四、载流子的浓度

  • 半导体的导电能力和载流子的浓度相关。
  • 载流子的浓度和温度有关。
    • 温度升高的载流子浓度升高会逐渐动态平衡。（本征激发的速度和复合速度趋于平衡）
    • 一定范围内，温度越高本征激发速度越快。
    • 一定范围内，温度越高复合越快。
    • 一定范围内，温度越高载流子浓度越高。

1.1.2 杂质半导体(可掺杂性质，可扩散性质）

一、概念:掺入少量的杂质半导体

二、N型半导体（Negative[消极的])

  1. 掺入P（磷）元素（施主原子） image.png

磷元素提供了大量的自由电子，自由电子浓度增加，导电能力变强。

  1. 多子和少子
  • 这里少子是空穴（因为自由电子的数量变化会少一些）
  • 这里多子是自由电子

温度对多子的影响很小，对少子的影响很大。

二、P型半导体（Positive[积极的])

  1. 掺入硼元素

1.1.3 PN结

将P型半导体和N型半导体结合到一起

一、PN结的形成

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  1. 扩散运动（粒子从高浓度向低浓度扩散【多子】）
  2. 空间电荷区(扩散运动过程中复合大部分完成，之后形成空间电场【从右指向左】，阻止电荷和空穴流动):又称呼为耗尽层、阻挡层、PN结 image.png

扩散运动还会一直进行，如果扩散运动一直进行空间壁垒必将被击穿。

  1. 飘移运动【少子】
  2. 对称结（掺杂浓度一样），不对称结（掺杂浓度不一样）

在一定条件下扩散运动和飘移运动会达到平衡。

二、PN结单向导电性

  1. 外加正向电压（外电场削弱内电场）
  • 初始：升压 无电流 死区
  • 临界：升压 有电流 随电压增加等比例上升

image.png 电场削弱了壁垒 image.png 此时主要进行扩散运动

加电阻R限定电流，最大电流不超过U/R

  1. 外加反向电压（外电场加强内部电场）
    电场加强了壁垒

image.png 此时主要进行漂移运动，是反向饱和电流，

此时是少子为主要运动粒子，因为少子对温度敏感-所以电流对温度敏感

三、PN结的电流方程

i = Is(e^(U/Ut) - 1)

  • Is:反向饱和电流
  • Ut:温度当量室温下26mv（和温度有关的电压）
  • U:PN上所加的结电压
  • 导通电压 Ge 0.2-0.3V S:0.6-0.7V image.png

四、PN结的伏安特性

  1. 正向特性 有一个死区 导通电压
  2. 反向特性 反向击穿（反向锗比硅大）

雪崩击穿

  • 掺杂浓度低时，PN节比较长【足够加速到可以撞击开共价键】，外加电场加强时，PN节类似于一个粒子加速器，容易将价电子撞击分散，形成链式反应，从而击毁PN结。
  • 温度越高，雪崩击穿需要击穿电压越高（因为温度越高越多数电子逃逸，晶格震动越剧烈，导致晶格会碰撞到电子，难以形成自由电子，难以形成链式反应，需要更高的能量进行加速【能量来源是电场-电压】）

一定要给够PN结足够的宽度，宽度足够才足够形成较大的场强

齐纳击穿

-（掺杂浓度高，PN节比较窄，因为距离小所以场强比较大，电子直接被拉出来，共价键直接打开，根据公式p=UI得知，所有功转化为热）

  • 温度越高，齐纳击需要的击穿电压越低（因为温度越高越多数的价电子更容易被拉出，共价键越不稳定）

如果可以保持高温不烧毁齐纳击穿，也可以进行工作！（此情况下电流变化范围虽然很大但是电压可以不变，根据此特性可以做稳压二极管）

image.png

可控反向击穿电压

通过控制掺杂浓度控制反向击穿电压

  • 掺杂浓度越稀薄，在雪崩击穿中可以反向击穿需要的电压越高
  • 掺杂浓度越浓厚，在雪崩击穿中可以反向击穿需要的电压越低

补充：场强公式为

E=U/d 若知道一电荷受力大小可用：E=F/q 点电荷形成的电场：E=kq/r^2 k为一常数 q 为此电荷的电量 r为到此电荷的距离，可看出：随r的增大，点电荷形成的场强逐渐减小，（不与r成正比，只与r^2成正比）

为什么pn结不掺杂六价元素?

导带是由自由电子形成的能量空间。即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。价带是价电子占满的满带中能量最高的能带。价带和导带之间称之为禁带。在本征半导体下，禁带宽度很大，常温下，价带电子很难被激发跃迁到导带。为了让半导体在特定的条件下有更好的导电性，就需要让它内部的电子能够更好的跃迁，故此我们需要参杂杂质到本征半导体中。

    这里也需要引入两组名词，施主和施主能级、受主和受主能级。能够提供电子的杂质称为施主，施
    主能级处在靠近导带底的禁带中；同理可得，受主指的是能够提供空穴的杂质，受主能级处在靠近
    价带顶的禁带中。

    一般来说，为了有更好的导电性，我们会选择五价的杂质，这时候的施主能级与导带之间的禁带宽
    度变小，价电子变得更加容易跃迁，能够让导电性更好。(孤电子更容易在导带的潜能级附近徘徊         
    )而六价或者七价电子(电离能量相对较高，一般是导带附近的深能级)，它的施主能级相对
    于原本的本征半导体来说提升非常小，甚至可以忽略不计，故此在一般情况下是不会掺杂的。

PN节的电容效应

  1. 势垒电容（非线性变化-可变电容）

image.png 反向电压越大，电容越大，因为反向电压加强了电荷向两端聚集，加强了空间势垒，使得自由电子向左聚集，空穴向右侧聚集

2.扩散电容

image.png 正向电压削弱势垒，导致N区的多子向P区扩散,P区的多子向N区扩散，两端的少子会增加，叫非平衡少子，这个等效出的电容叫做扩散电容。 是由非平衡少子和电压的关系构建的。

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