半导体的特点

导电能力：介于导体和绝缘体之间

热敏性：温度会明显影响电导率

光敏性：光照会影响电导率，还可产生电动势

掺杂性：杂质会影响电导率
通过掺入杂质可明显改变半导体的电导率，（在30℃的纯锗中掺入一亿分之一的杂质，电导率增加几百倍）

本征半导体

本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体材料。它在物理结构上呈单晶体形态。

现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。

这外层的4个电子为了变成稳定的8电子结构会和其他的原子结合成稳固的共价键。

本征激发

本征激发（热激发）：受温度、光照等环境因素的影响，半导体共价键中的价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键上留下空位的现象。

自由电子当然可以导电，留下的空位可以接收其他的电子，于是也实现了运动，而且根据电荷守恒带正电，所以相当于运动的正电荷

载流子：导电电荷

• 电子（-）
• 空位（+）

显然，电子空位成对出现。

由于共价键的稳固性，光凭本征激发产生的电子的导电性能不好，为了改善它的导电性，我们要往半导体晶体内加入杂质。

杂质半导体

在本征半导体中加入微量杂质（≤百万分之一），可使其导电性能显著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体

N型半导体（电子型）

形成：在半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷、砷、锑。

电离

中间的+5价原子核对应的电子有5个，但是共价键束缚的只有4个电子，于是多出来了1个自由电子，而且没有空穴。

施主杂质：

中间的原子核多出了1个自由电子，带正电，这种杂质被称为施主杂质。

多子

此时，晶体内的电子有两个来源：本征激发以及施主杂质电离。

杂质电离的自由电子浓度比本征激发产生的自由电子浓度大数万倍左右。

电子数量比空穴数量多，成为多子。

少子

空穴只由本征激发产生，数量少，成为少子。

P型半导体（空穴型）

形成：在半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼、铝、铟。

电离

中间的+3价原子核对应的电子有3个，但是共价键只能束缚3个电子，于是多出来了1个空穴，不产生电子。

受主杂质：

中间的原子核缺少了1个自由电子，带负电，这种杂质被称为受主杂质。

多子

此时，晶体内的空穴有两个来源：本征激发以及受主杂质电离。

少子

电子只由本征激发产生。

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注意：

• P型半导体：杂质为+3价元素，多子为空穴，带正电，positive
• N型半导体：杂质为+5价元素，多子为电子，带负电，negative
• 不管是哪种半导体，中间的原子核带电不管正负，都不能自由移动，所以不能导电，只有自由电子和空穴导电。

杂质半导体的示意图

少子浓度——与温度有关（本征激发产生）
多子浓度——与掺杂浓度和温度有关（本征激发+杂质电离）

正是由于杂质导致的多子浓度的提升，导致了杂质半导体相对于本征半导体导电性能的显著提升。

PN结

在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层(不能移动的正、负离子)，称为 PN 结。

1、 PN 结中载流子的运动

（1） 扩散运动

电子和空穴浓度差——载流子的扩散运动。

电子从N流向P，空穴由P流向N，也就是形成了从P到N的电流。

（2）扩散运动形成空间电荷区—— PN 结，耗尽层。

在中间的部分，电子和空穴抵消了，所以形成耗尽层。

（3）空间电荷区产生内电场

虽然中间的电子和空穴由于扩散运动相互抵消，但是并不会一直扩散下去。因为中间耗尽层的空穴电子抵消后，正负离子会形成电场。P型部分是带负电，N型部分是带正电，也就是产生从N指向P的电场，这个电场会阻碍扩散运动的进行。

空间电荷区正负离子之间电位差 $U_D$ 称为内电场。

内电场作用：

• 阻止多子的扩散
• 促进下面的漂移运动

（4） 漂移运动

半导体内部除了多子以外还有极性相反的少子，虽然内电场的方向抑制多子的运动，但是对于极性相反的少子，反而是促进的。

少子运动被称为漂移运动。

少子的运动与多子运动方向相反，产生的漂移电流和扩散电流的方向也相反。

（5） 扩散与漂移的动态平衡

扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；
随着内电场的增强，漂移运动(电流)逐渐增加；

当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。

空间电荷区的宽度约为几微米 ~ 几十微米；

内电场 $U_D$ ：

• 硅材料约为(0.6 ~ 0.8) V,
• 锗材料约为(0.2 ~ 0.3) V

总结

交界面浓度差——多子的扩散运动——由杂质离子形成空间电荷区——空间电荷区形成内电场——阻止多子扩散 促使少子漂移

2、PN结的单向导电性

正向导通，反向截止。

在涉及接电源之前，让我们先思考一个问题：已知半导体的P型的一端和N型的一段分别带有可以导电的载流子。那么如果直接用一根导线把两端连起来，是不是就能直接产生电流了？

答案是不会。如果可以这么做，那现成的永动机不就有了，都不用为它提供能量（接电源），就能产生电流。

从物理的角度来看，是因为虽然两端都有载流子，但是并没有电势。也许你会疑惑，不是前文都说了有内电场吗？怎么没有电势了？

内电场的产生是因为中间的电子和空穴互相抵消了，但是两端可还没有，正负离子都被身边的多子抵消了，哪里还会产生什么电场？

接下来讨论一下为什么接电源之后是单向导通的机理。

（1）正向偏置：P“+”，N“-”

这里的正向指的是外电场方向与内电场方向相反的，从P指向N的电场方向。

由于外电场和内电场方向相反，那么内电场会被削弱。

前文提到过内电场的作用有两个：一是抑制多子的扩散，二是促进少子的漂移。

那当内电场被削弱了，多子就会扩散的更多，少子会漂移更少，中间的空间电荷区变窄，那么耗尽的载流子就少了，导电的载流子就多了，于是电流大。

漂移电流小于扩散电流，电路中产生正向电流 I ；正向电压产生的电流也被称为正向电流。

反向偏置：P“-”，N“+”

这里的反向指的是外电场方向与内电场方向相同的，从N指向P的电场方向。

由于外电场和内电场方向相同，那么内电场会被加强。

多子就会扩散的更少，少子会漂移更多，中间的空间电荷区变宽，那么耗尽的载流子就多了，导电的载流子就少了，于是电流小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小（μA级）。

漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流$I_S$ ；反向电压产生的电流也被称为反向电流。

反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感（因为反向电流是漂移电流占上风，是少子在导电，少子是本征激发产生的，所以受温度限制大），随着温度升高， $I_S$ 将急剧增大

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PN 结的单向导电性

• 当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结的阻值较小， PN 结处于 导通状态，相当于导线。
• 当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN结的阻值非常大， PN 结处于截止状态，相当于断路。

3. PN结的伏安特性

$i_D=I_S(e^{u_D/U_T}-1)$

正偏：当$u_D$大$U_T$几倍时，$i_D=I_S{e}^{u_D/U_T}$

反偏：当$u_D$大$U_T$几倍时，$i_D=-I_S$

常温时，$U_T$ = 26mV（温度的电压当量）

4. PN结的反向击穿

反向击穿（电击穿）：当反向电压$u_D$达到一定数值时，反向电流$i_D$急剧增加的现象。

热击穿：若不加限流措施，PN结将过热而损坏。

电击穿是可逆的，而热击穿是不可逆的，应该避免。

电击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿。

雪崩击穿

漂移的载流子加速→与中性原子相撞激发价电子→产生新的电子空穴对→$i_D$急速增加

齐纳击穿

内电场很强破坏共价键→产生新的电子空穴对→$i_D$急速增加