大学半导体的基本知识总结

大学半导体的基本知识总结
1. 半导体基础知识
1.1. 半导体介绍
半导体器件是构成电子电路的基本元件，而它所用的材料是半导体材料。

而半导体材料是指：导电性介于导体与绝缘体之间的物质。

半导体除了导电性介于导体和半导体之间，还具有如下性质：
1.温度升高可以显著提高半导体的导电能力。

例如：纯Si当温度从30∘C
到20∘C时，电阻率增大一倍
2.微量杂质的含量(有无，多少)可以显著改变半导体的导电能力。

例如：
每1百万个Si原子中掺入1个杂质原子(+3价元素和+5价元素)，则在常温(27∘C，常温为什么是27∘C，因为让绝对温度是一个整数，
T=273+t，T最接近的是300k，故t为27∘C)条件下，它的电阻率由214,000Ω⋅cm下降为0.2Ω⋅cm，
3.光照可以显著提高半导体的导电能力，例如：淀积在绝缘基片上的
CdS薄膜，它在无光照情况下电阻值约为几十MΩ，而在光照下电阻值约为几十KΩ
4.另外磁场、电场也可以显著改变半导体导电能力
所以半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间，另外还是一种自身性质容易受到外界的光、热、磁、电以及微量杂质含量变化而发生显著变化的材料。

而半导体有这么好的性质，则我们可以利用起来，尤其后面所介绍的二极管、三极管、场效应管就是使用了微量杂质的含量可以显著改变半导体的导电能力的性质。

1.2. 本征半导体
我们如何给半导体掺入微量杂质呢？能否自然界的石英石(主要成分就是Si)掺入杂质呢？
我们是不能对自然界的Si直接使用，因为它含有各种各样的杂质，有
了杂质导致它的导电性不可控，而想作为所有半导体的基本材料，首先达到目的是它的导电性可控。

于是我们需要把自然界的Si变成纯净的Si晶体结构，而这种纯净的半导体晶体结构又被称为本征半导体。

本征半导体的特点：（本征半导体是纯净的晶体结构）
1.纯净，故代表无杂质
2.晶体结构，代表着稳定。

本身就是你拉着我，我拉着你大家都不要
动，从而它的导电性比自然界的Si都还差。

1.2.1. 本征半导体晶体结构
我们在化学中学过Si晶体的相邻两个原子最外层电子成为共用电子，共用电子组成了共价键。

但也不是每个Si原子最外层电子都老老实实待在自己的共价键里，原因：工作在一定环境下，环境是有温度的。

最外层电子除了做有序的运动之外，还由于温度的影响做热运动——无序运动。

恰巧有个电子它具有能量比其它原子的能量大，从而这个电子挣脱共价键束缚而成为自由电子。

只要稍微有点能量，导体最外层电子一样可以产生定向运动。

本征半导体是没有杂质的，当一个电子挣脱共价键的束缚必然流出一个空位，这个空位叫空穴。

本征半导体里有多少自由电子就有多少空穴，它们是成对出现的。

其晶体结构、空穴，自由电子如下图所示：
若在本征半导体两端外加电场：
1.自由电子定向移动，形成电子电流
2.由于空穴的存在，价电子按一定的方向填补空穴，引起空穴也产生定
向移动（由于自由电子和空穴成对出现），形成空穴电流。

由于自由电子和空穴电流所带电荷极性不同，他们运动相反，故本征半导体中的电路是两个电流之和。

在上述中表现出了空穴和自由电子都是运载电荷的粒子（运载电荷的粒子称为载流子），故他们都是载流子。

这里与导体表现出区别：导体导电只有一种载流子，而本征半导体有两种载流子
1.2.2. 本征半导体中载流子浓度
半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。

自由电子的无序运动，当碰到空穴时，于是自由电子和空穴同时消失，这样的现象叫复合。

本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复
合的自由电子和空穴对数目相等，达到动态平衡。

即在一定温度下，自由电子和空穴的浓度是一样的。

当环境温度升高，热运动加剧，挣脱价电子束缚的自由电子增多，空穴随之增多。

即载流子浓度升高，使导电性增强。

反之温度降低，载流子浓度降低，导电性降低。

当温度降低到绝对零度0K时，价电子没有能量来挣脱共价键，因此不导电。

本征半导体导电的时候是两种载流子的运动，由于本征半导体构成的是一种晶体结构，虽然导电性和温度有关，但导电性极差。

虽然它的导电性差，但它的导电可控性强
1.3. 掺杂半导体
这里会说明为什么本征半导体的导电可控性那么强。

在这节会利用半导体的这条性质：微量杂质的含量可以显著改变半导体的导电能力。

这里的掺入是指对本征半导体掺入合适的杂质元素，按掺入杂质元素不同，可形成N型半导体和P型半导体。

而控制掺入杂质元素的浓度，从而控制掺杂半导体的导电性能。

1.3.1. N型半导体
N是指Negative，由于电子带负电而得名，即为了让晶体结构多电子出来，一般掺入+5价元素，例如：P。

由于P原子最外层有5个电
子，它与周围Si原子形成共价键以后，还多出一个电子，这个电子稍微给出一点能量就会称为自由电子。

而杂质原子因在晶格上，且缺少电子，故变为不能移动的正离子。

如下图所示：
在N型半导体里，自由电子的浓度大于空穴的浓度，故自由电子称为多数载流子（多子）；空穴称为少数载流子（少子）。

因此N型半导体主要靠自由电子来导电，掺入杂质越高越多，多子浓度越高，导电性也就越强。

我们来看看多子浓度变高后，少子浓度怎样变化？少子浓度降低，原因是：因为自由电子多了，它和空穴复合的几率加大。

当温度升高时，载流子的数目会增加，且多子增加的数目和少子增加的数目相同，而少子浓度变化比多子浓度变化高（由于少子和多子的基数不一样，但增加个数是相同的）。

因此别小看少子它浓度低，但
少子是影响半导体器件温度稳定性的一个重要因素，从而也需要看少子有多少。

1.3.
2. P型半导体
P是指Positive，由于空穴带正电而得名，即为了让晶体结构多空穴出来，一般掺入+3价元素，例如：B。

由于B原子与周围Si原子形成共价键以后，就产生一个空位（空位为电中性），当Si原子外层电子填补此空位时，其共价键便产生一个空穴，而杂质原子成为不可移动的负离子。

如下图所示：
和N型半导体对比，在P型半导体里：
1.空穴时多子，自由电子是少子
2.导电性主要靠空穴。

掺入杂质越多，空穴浓度越高，使得导电性能越
强（因为杂质原子中的空位吸收电子），少子浓度降低。

3.当温度升高，自由电子的浓度变化比空穴的浓度变化高
1.4. PN结形成及其单向导电性
在掺杂工艺上我们可以做如下事情：将P型半导体和N型半导体制作在同一块本征半导体片，我们来看看有什么现象发生。

1.4.1. PN结形成
物质总是从浓度高的地方项浓度低的地方向浓度低的地方运动，这种浓度差而产生的运功称为扩散运动，扩散运动是物体的固有运动，气态、液态、固态均有。

当把P型半导体和N型半导体制作在一起时，在它们的交界面，两种载流子浓度差很大，因此：
1.P区的空穴必然向N区扩散
2.N区的自由电子必然项P区扩散
如下图所示：
由于扩撒到P区的的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近每个区的多子浓度下降，而P区的负离子和N区的正离子是不能移动的，成为空间电荷区，从而形成内电场。

随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，其方向由N区指向P区，正好阻止扩散运动的进行。

如下图所示：
而在电场力的作用下，载流子（少子）的运动称为漂移运动，即空穴
从N向P区运动，而自由电子从P区想N区运动。

在无外电场和其它激发作用下，当空间电荷区达到一定宽度后，参与扩散运动的多数电子等于参与漂移的少数电子，从而达到动态平衡，形成PN结（空间电荷区宽度几乎不变）。

如下图所示：
若P区和N区掺杂浓度相等，则负离子区和正离子去的宽度也相等，称为对称结；若两边掺杂浓度不同时，浓度高一侧的离子区宽度低于浓度低的一侧，称为不对称PN结。

这两中外部特性是相同的
近似：由于空间电荷区自由电子和空穴非常少，因此在分析中可以忽略载流子，只考虑离子区的电荷区，此时空间电荷区可以称为耗尽层
由于PN结形成特殊的导电性，因此我们可以利用这种导电性可以来构成各种各样的器件。

1.4.
2. PN结单向导电性
现在来分析PN结的导电特性
1.4.
2.1. PN结加正向电压——正极接入到P极
PN结加正向电压，也称加正向偏置。

外电场将多子推向空间电荷区，使其变窄，从而削弱了内电场，破坏了原来的平衡，使扩散运动加剧，漂移运动减弱。

由于电源的作用，扩散运动将源源不断运行，从而形成正向电流，PN结导通。

如下图所示：
图中的R可以不要吗？必须要，用于限流作用，电流限制就是升温限制（也就是功率的限制），由于上述电路不存在此R，导致回路的电流特别大，PN结的温升特别大（管子本身的消耗多少是把能量转为热能），而PN结有温度限制。

若超过温度限制会破坏PN结，甚至使它融化。

因此需要R来限制电流。

1.4.
2.2. PN结加反向电压——负极接入到P极
PN结加反向电压，又被称为反向偏置。

外电场阻止了扩散运动，使得多子往PN结的反方向移动，从而加强了空间电荷区的宽度，加强了内电场。

内电场和外电场一起阻止扩散运动的进行，加剧漂移运动的进行，形成反向电流，又被称为漂移电流。

如下图所示：
因为少子数目极少，即时所有的少子都参与漂移运动，反向电流也非常小。

在近似分析中忽略不计。

认为PN结加反向电压时处于截止状态。

1.5. PN结电容效应
在一定条件下，PN结具有电容效应，根据产生原因分为势垒电容和扩散电容
1.5.1. 势垒电容——变化电容
当PN结加反向电压变化时，空间电荷区的宽度也随之变化，这种现象与电容充放电过程相同，故可以等效成电容。

耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb。

如下图所示：
1.5.
2. 扩散电容——变化电容
PN结处于平衡状态的少子称为平衡少子。

PN结处于正偏时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子称为非平衡少子
当外加正电压一定时，靠近耗尽层交界面非平衡少子浓度高，而远离交界面浓度低。

从而浓度由高到低衰减，直到0，形成一定的浓度梯度（浓度差）。

从而形成扩散电流。

当外加正向电压增大时，非平衡少子的浓度增大且浓度梯度也增大，从外部看正向电流（扩散电流）增大。

从而在扩散区内，非平衡少子浓度差的变化，反过来也是电荷的积累和释放。

与电容的充放电过程相同，可以等效成电容。

这种电容效应成为扩散电容Cd
1.5.3. PN结电容
PN电容Cj计算公式为：
Cj=Cb+Cd
一般Cb和Cd都很小，对于低频信号呈现出很大的容抗。

其作用可忽略不计，当信号频率较高的时候需要考虑电容的效应。

即：当加在PN 结上的交流电频率较高时，交流电就可以通过PN结的电容形成通路，PN结将部分失去或完全失去单向导电特性。

此时可以把PN结等效成在一个理想PN结上并联一个小容量电容器来分析。

如下图所示：
1.6. PN结击穿
1.6.1. 电击穿
当反向电压超过一定数值后，反向电流急剧增加，称为反向击穿。

击穿按机理可以分为齐纳击穿和雪崩击穿。

电击穿在一定条件下是可逆的，但若不对电流限制，超过功耗会永久损害PN结
1.6.1.1. 雪崩击穿
若掺杂浓度低，低电压不会产生齐纳击穿，当反向电压增加到较大数值时，耗尽层的电场使少子加快漂移速度，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键而产生电子和空穴对。

新产生的电子与空穴被电场加速后碰撞其它价电子，重复下去。

载流子雪崩式地倍数增加，致使电流急剧增加。

1.6.1.
2. 齐纳击穿
在高掺杂的情况下，因为耗尽层宽度很窄，不大的反向电压就可以在耗尽层形成很强的电场，从而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键的束缚而产生电子和空穴对，导致电流急剧增大
1.6.
2. 热击穿——永久性损坏（结构发生破坏）
在使用PN结时，由于PN结功耗（反向电流与反向电压之积）过大，使得结温升高，电流变大，循环反复过程，超过PN结的允许功耗使得PN结击穿的现象。