模拟电子技术基础笔记（2）——半导体基础知识
目录
一、常用半导体器件
1、半导体基础知识
本征半导体
杂志半导体
PN结的形成及其单向导电性
PN结的电容效应
PN结的电致发光
PN结的光电效应
一、常用半导体器件
1、半导体基础知识
本征半导体
概念
半导体：导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。
导体——铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
绝缘体——惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。
半导体——硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
半导体特性
Ⅰ、掺杂特性：掺入杂质则导电率增加几百倍——半导体元件
Ⅱ、温度特性：温度增加则导电率大为增加——热敏元件
Ⅲ、光照特性：光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势——光敏元件
本征半导体：是纯净（无杂质）的晶体结构（稳定的结构）的半导体。
本征半导体的结构
由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子。自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴。自由电子和空穴同时产生。
自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。
一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定（动态平衡）；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。
本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。
外加电场时，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。由于载流子数目很少，故导电性很差。
温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。
热力学温度0K时不导电。
为什么要将半导体（不可控）变成导电性很差的本征半导体（可控）？先将半导体变成可控的本征半导体作为基本材料，然后再改善本征半导体的导电性，即变成杂质半导体。
杂志半导体
N型半导体
空穴比未加杂质时的数目少。通常掺入磷，多子为自由电子，少子为空穴。
杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。
P型半导体
自由电子比未加杂质时的数目少。通常掺入硼，多子为空穴，少子为自由电子。
P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。
在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目发生变化。少子与多子变化的数目相同。但少子与多子浓度的变化不同。因此，当温度变化时，少子的相对变化非常大，少数载流子是影响半导体器件温度稳定性的一个重要因素。
结论： 在杂质型半导体中，多子浓度比本征半导体的浓度大得多，而少子浓度比本征半导体的浓度小得多，但两者乘积保持不变。
PN结的形成及其单向导电性
扩散运动：物质因浓度差而产生的运动。气体、液体、固体均有之。
P区空穴的浓度远高于N区，而N区自由电子浓度远高于P区。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。
PN结的形成
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。
漂移运动：因电场作用所产生的运动。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。
参与扩散运动和参与漂移运动的载流子数目相同（如扩散过去5个空穴，漂移过来5个空穴），达到动态平衡，就形成了PN结。
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。
少数载流子在温度变化时其变化的百分比比较大，环境温度升高，反向电流增大，且增大速度较快。这是其温度稳定性差的原因。
PN结的电容效应
Ⅰ、势垒电容
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。
Ⅱ、扩散电容
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路径上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。
结电容：
结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度（此时PN结相当于短路），则失去单向导电性！ 所以半导体器件有最高工作频率。
PN结的电致发光
如果在PN结外加正偏电压，外电场将消弱内电场对载流子扩散的阻挡作用。在外加电场满足一定条件下，注入到耗尽层内的自由电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体内产生光增益。
PN结的光电效应
PN结用导线连接成回路时，载流子面临PN结势垒的阻挡，在回路中不产生电流。当有光照射PN结材料上时，若光子能量大于半导体的禁带宽度，则在PN结的耗尽区、P区、N区内产生光生的电子-空穴对， 耗尽区内的载流子在内电场的作用下电子迅速移向N区，空穴移向P区，在回路内形成光电流，而P、N区内产生的光子无内电场的作用只进行自由的扩散运动，多数因复合而消失，对光电流基本没有贡献。
为了充分利用在PN结各区内产生的光生载流子，PN结需加适当的反向偏压。
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