模拟电子的开端之半导体

程序员文章站 2022-05-30 19:36:36

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*模拟电子的开端之半导体
1.本征半导体简略介绍：我们都知道，半导体是硅（SI）锗（GE），都是四价元素，他们原子的最外层电子收到原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间，本征半导体只不过是纯净的晶体结构。其特征有二，第一个是无杂质，第二个是稳定的晶体结构。由于这种特殊的结构，在原子与原子之间就会形成公用的电子，也就是我们常说的共价键。电子如果受热吸收能量进行热运动的话，很可能就会挣脱掉原子的束缚。因为本征半导体内无杂质，外加电子挣脱掉原子的束缚，就会形成一个*的电子（带负电）以及一个带正电荷的空穴。有多少*电子就会有多少空穴！并且在一定的温度下*电子以及空穴的浓度一定，温度升高之后，*电子受到的能量增加，热运动一定会加剧，挣脱共价键的电子数量增多，*电子与空穴的浓度就会提高。
2.本征半导体中的两种载流子
说到载流子，我们就不得不提及一下载流子的概念，标准的概念为：运载电荷的粒子称为载流子。当给本征半导体外部增加一个电场的时候，带负电的*电子和带正点的空穴都会参与导电，并且二者运动方向相反。由于载流子的数目非常少，所以导电性能很差。但是当温度升高的时候，电子和空穴的浓度就会增加，因此导电的能力就会增加。看到这里我们不禁会有一个疑问，为什么非要把一个带有杂质的半导体给变成本征半导体，原因就在于我们想让这块半导体的导电性能是可控的。
3.杂质半导体
上述我们谈论了本征半导体，但是对于用温度去控制半导体电流大小是不显示的，因此向本征半导体内注入了杂质，就产生了N型半导体以及P型半导体。
①N型半导体：向本征半导体内注入磷元素，此半导体内四价的硅或锗就会被磷元素替代。在原子与原子之间形成共价键的时候就会多出来一个*电子。这个相对于*的电子只要稍微接收能量就会脱离原来的运动轨道成为*电子。在此块本征半导体内，电子的数目是多于空穴的数目，因此将电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子，杂质半导体主要依靠多数载流子进行导电，掺入的杂质浓度越高，导电性能就会变得越强，实现导电性可控。
②P型半导体：如果不向本征半导体内增加五价元素，而是改成增加三价元素（多数为硼），同样的原理，多数载流子就会变成空穴，电子就会变成少数载流子。
4.PN结的形成及其单向导电性
①扩散运动：物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动，气体，液体，固体均有之。
模拟电子的开端之半导体
②PN结的形成：在一块本征半导体的基片上分别做一个P区和N区。由于P区中空穴为多数载流子，N区中*电子为多数载流子，因此P区的空穴会远远的高于N区，N区的*电子也会远远的高于P区。于是由于二者浓度差的原因，空穴从P区向N区进行扩散，*电子从N区向P区进行扩散。扩散运动使得靠近接触面的P区空穴浓度降低，靠近接触面的N区*电子浓度降低，于是就形成了一个内电厂。内电厂的方向是从N区指向P区，他阻碍扩散运动继续进行，但是与此同时，由于内电厂的原因，使得空穴从N区向P区，*电子从P区向N去运动，此种运动称之为漂移运动。当参与扩散运动的载流子数目与参与漂移运动形成的载流子数目相等的时候，我们便认为形成了PN结。
③PN结的单向导电性。
模拟电子的开端之半导体
如果给PN结加正向的导通电压，那么耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于电源的外作用，就会形成多子导电的扩散电流。
如果给PN结增加反向电压，耗尽层变宽，阻值扩散运动的进行，有利于漂移运动，形成漂移电流，由于此电流非常微小，所以可以近似的认为PN结此时是截止的。现在我们回过头来看，随着温度的增高，多数载流子浓度的变化率小，少数载流子浓度的变化率高，由于外加正电压是多数载流子形成电流，外加负电压是少数载流子形成电流。因此在温度升高的时候，半导体器件反向电流的变化非常明显。
5.PN结的电容效应
①势垒电容：
当PN结外加电压变化的时候，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，这个原理与电容的充放电原理相同，其等效电容称为势垒电容Cb。
②扩散电容：
当PN结外加正向电压变化的时候，在扩散过程中载流子的浓度及其梯度都会发生变化，也有电荷的积累与释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。PN结的结电容为扩散电容和势垒电容的和，即Cj=Cb+Cd。结电容不是常量！如果外加电压的频率大到了一定程度的话，PN结就失去了单向导电性能。

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