模电学习-半导体物理

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绝缘体、半导体、导体的区别?

1、绝缘体几乎不导电

2、半导体的导电性在绝缘体和导体之间,但是却有两种载流子,电子和空穴

3、导体导电,但是只有一种载流子,那就是电子。

为什么半导体有两种载流子,而导体却只有一种载流子,空穴到底是什么?

原子是由质子、中子、电子组成的,但是也有不带中子的,比如氢原子由一个质子两个电子组成。当电子脱离了原子核的束缚,所留下的电洞带正电,也称为空穴,所以空穴并不是粒子。

而要解释为什么半导体有两种载流子,而导体只有一种载流子,这个解释起来很复杂,涉及到很多物理学知识(主要是能带理论),我个人觉得下面这个视频解释的还不错:

(原视频) YouTube (搬运视频) bilibili

个人总结

能带理论-固态物理学

我们在初中时就学过化学元素周期表,以及元素的电子排列规律。这里仅需要知道的是电子都是在原子的层级轨道上运动的,层级轨道距离原子核越近能量越低,越远能量越高。这里的层级轨道就是能级,能级是不连续的。那什么是能带呢,电子通常都是刚好在自己的能级轨道上,但是也会出现偏离轨道上上下下一点儿的情况,这些偏离轨道和轨道统称为能带,也就是电子能运动的轨道。那什么是禁带呢,电子跃迁通常都是从低能级轨道跳到高能级轨道,这两轨道之间的距离就是禁带,跳跃过程是瞬移的,不连续的。那什么是价带呢,最外层的能带就是价带。那什么是导带呢,电子从价带跳跃出去了,脱离了原子核的束缚,成为了自由电子,外面的空间就是导带。那什么是满带呢,每个轨道都有一个最大电子数,你可以理解为座位一样,电子们只有坐满了这个轨道才能坐到下一个轨道上,所以除了价带有可能不满,别的能带都是满的,也就称为满带。

另外,满带是不导电的,不满带才可能导电。这里可以这么比喻,你可以想像你学校操场上的环形跑道,它也是分内外环跑道的,如果某条环形跑道上,全部都是人,并且它们只能在这条跑道上运动的话,那么他们是走都走不动的,更别提跑起来了。除非有人离开这个跑道,他们才有可能动起来。

现在我们再重新来看绝缘体、导体、半导体的区别:

以绝缘体为例,绝缘体的价带都是满带,并且价带和导带之间的禁带非常长,所以无法导电。

以导体为例,导体的价带未满,并且价带和导带重叠了,所以能导电。

以半导体为例,半导体的价带和绝缘体一样也是满带,但是禁带比较短,电子是可以从价带跃迁到导带上的,所以给予一定能量就能导电,电子从价带上跃迁后,就在原来的位置上留下了一个电洞,也就是空穴带正电,价带上电子的正向移动就像是空穴的逆向移动。

N 型半导体(negative)

通过掺入 5 价磷元素,让导带上自由电子变多。

P 型半导体(positive)

通过掺入 3 价硼元素,让价带上空穴变多。

PN 结

当 P 和 N 结合在一起时,受高浓度向低浓度扩散原理影响,N 区的电子会向 P 区移动,这其中不仅仅指导带上的电子,也包括价带上的电子(也可以说是 P 区的空穴向 N 区移动)。由于电子从 N 区移向 P 区,所以 N 区带正电,P 区带负电,这就会产生一个空间电荷区,并形成电场力来阻止 N 区的电子继续向 P 区移动,并激励 P 区的电子向 N 区移动,最终达到动态平衡。绝大部分空间电荷区内的自由电子和空穴都非常少,也因此被称为耗尽层。(主要因为 N 区的自由电子填补了 P 区的空穴,N 区带正电,P 区带负电)

为什么浓度越高侧反而电荷区越窄?

以 N 区浓度比 P 区浓度高 2 倍为例,相同体积下,N 区电子数比空穴数多一倍。所以 N 区提供一体积电子,P 区需要提供 2 体积空穴,这就是为什么浓度越高反而电荷区越窄。

PN 结单向导电性

在 PN 结达到动态平衡后,中间的电荷区所形成的电场力是阻止 N 区电子的扩散运动的,并且电荷区几乎不存在电子与空穴。如果给 PN 结加上与电荷区相反方向的电场力,N 区的电子将向电荷区移动,而 P 区的电子将远离电荷区移动,电荷区变窄。而如果给 PN 结加相同方向电场力,N 区的电子将远离电荷区移动,而 P 区的电子将向电荷区移动,电荷区变宽。

现在来说一下单向导电性,由于施加正向电压,需要克服电荷区的电场力,所以会有一个压降,才能导通。那为什么施加反向电压不能导电呢?N 区的电子可以流向电源再流向 P 区呀,并且外部电场力方向和空间电荷区的电场力方向也相同呀,是激励 P 区的电子移动到 N 区的呀。因为施加反向电压时,电荷区变宽,这个电荷区相当于是一个电容,施加反向电压的过程相当于是给电容充电,所以不导电,继续加大电压,则可能导致电容击穿,从而也导电。(这里说的不导电是忽略了非常小的漂移电流,实际还是有非常少的 P 区电子漂移到 N 区的)

PN 结的电流方程

PN 结所加端电压与流过它的电流的关系为

其中为反向饱和电流,常温下约为 26mV。

PN 结伏安特性曲线

PN 结击穿

如上图所示,当反向电压超过一定数值后,电流开始急剧增大,这被称为反向击穿。

击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况,主要和 PN 结的掺杂浓度有关。

较高的掺杂浓度,很窄的电荷区就能形成较强的电场力来抑制扩散运动,可以在外部电场力的作用下很容易就使电荷区中的电子脱离共价键的束缚,产生电子-空穴对,致使电流急剧增大,这被称为齐纳击穿,所需外部电压较低。

较低的掺杂浓度,则需要较宽的电荷区来抑制扩散运动,电场力较弱,为要很强的外部电场力,来加速电子运动从而撞击电荷区的离子,使其产生电子-空穴对,撞击出来的电子又接着撞击,就像雪崩一样,这被称为雪崩击穿,所需外部电压较大。

PN 结电容

正向叫扩散电容 Cd,反向叫势垒电容 Cb。PN 结电容 Cj = Cb + Cd

Cj 一般都很小,低频信号可忽略不计,高频信号可能需要考虑它的影响。