1.1.1半导体基础知识

news2025/2/23 12:42:37

半导体基础知识

上学的时候大概是模电第一节就会讲完这,会详细的介绍什么是导体,绝缘体,半导体,本征半导体,然后接着详细的讲述本征半导体的结构,两种载流子,P,N杂质半导体,PN结以及它的单向导电性和电容效应,这里不太想讲一些过于细致的东西,例如a=b,b=c所以a=c,简单来说说一些理解。

1.导体

在中学阶段就学过电流是电子的定向移动,那么大学里就是金属元素例如AL,FE,CU等金属元素,这里以AL为例,它的电子结构为283,最外层电子为3个,在外电场作用下很容易产生定向移动,最终形成电流。

拓展一下,为什么cu,ag导电性最强?这里留做思考。

2.绝缘体

一般是皮革、干燥的木头、惰性气体、橡胶等材料,最外层电子在4-8之间,得电子能力强,失去电子能力反之就弱,这里不做累述

3.半导体

顾名思意,就是导电能力介于导体和绝缘体之间;那最外层电子就是4,一般来说是Si,Ge等材料,得电子和失电子能力相同(有兴趣的可以琢磨琢磨这句话哪点欠妥)

5.本征半导体

记住课本原话,本征半导体是纯净的晶体结构半导体,意思就是无杂质的稳定的结构半导体;一般来说看百度什么芯片原材料是Si,基本上都是单晶体,并且纯度在99.9999999%(9个9),这样能保证你使用芯片的质量。

6.本征半导体的结构

 

简单介绍一下,两个原子之间形成共价键,这个东西不像绝缘体那样原子核对最外层电子的束缚能力那么强,在能量激发,如温度,光照(感兴趣的可以去查查太阳能板原理),一些电子就挣脱共价键,变成自由电子。

然后课本原话,一个萝卜一个坑,自由电子和空穴总是成对存在

7.本征半导体的两种载流子(运载电荷的粒子)

空穴(带正电)和自由电子(带负电)

TIP:当你给本征半导体施加外电场时,带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电,且运动方向相反。

8.p型半导体 空穴为主

positive (积极的,带正电)所以载流子以空穴为主,也就是掺入三价B。

9.n型半导体 自由电子为主

negative (消极的,带负电)所以载流子以自由电子为主,也就是掺入磷(P)、砷、锑

10.PN结及其单向导电性

10.1扩散运动

 P,带正电空穴浓度高于N,反之,N,带负电自由电子浓度高于P

两者因为浓度差,而形成扩散运动

10.2漂移运动(元器件选型必须要知道的东西)

 因为扩散运动导致中间交界处载流子互相结合浓度下降,由于载流子中和掉了,偏P区为负,偏N区为正,形成空间电荷区,阻碍扩散运动。

然后来看空间电荷区与PN区交界处,

偏N区为正吸引p区的自由电子;偏p区为正吸引n区的空穴,我们把这种因内电场(电位差)作用所产生的运动称为漂移运动。

当参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同时,达到动态平衡,在两种材料的结合部就形成了PN结(空间电荷区 耗尽层)。

10.3,PN 结的单向导电性

PN结加正向电压导通:

耗尽层变窄,扩散运动加剧,由于外电源的作用,形成扩散电流,PN结处于导通状态。

PN结加反向电压截止:

耗尽层变宽,阻止扩散运动,有利于漂移运动,形成漂移电流。由于电流很小,故可近似认为其截止。

11.PN 结的电容效应

1. 势垒电容 Cb

PN结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生变化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放电相同,其等效电容称为势垒电容Cb。

2. 扩散电容 Cd

PN结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的过程,其等效电容称为扩散电容Cd。

结电容: Cj=Cb+Cd

需要注意的是,结电容并不是常量!

因为结电容的影响,如果外加电压频率高到一定程度,PN结将会失去单向导电性!

拓展:这句话个人理解是因为电容有一个自谐振频率点,自谐振频率点Self-Resonant Frequency

计算公式为

下图显示了 1μF,封装为 1206 的陶瓷电容器的阻抗

( MLCC有经典的V型阻抗-频率曲线。随着频率升高,寄生电感的影响开始凸显,阻抗先变小再变大,这是MLCC的固有特性。曲线中的最低点就是MLCC的自谐振频率

由于 ESL 的存在( MLCC内部高密度金属电极和焊接端子都能提供少量的寄生电感 ),在某个频率下阻抗实际上随频率开始上升,这个频率点又被称为自谐振频率点

电容等效电路

具体自谐振参数的影响表现在,工作频率超过自谐振点,电容失去电容作用,呈感性。

回到这句话原因就在于,电容失去它的容性作用,呈感性,从而失去PN结的单向导电性。

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