1.1 半导体基础知识

半导体：介于导体和绝缘体之间的物质，半导体器件是构成电子电路的基本器件。

特点：热敏特性、光敏特性、掺杂增强导电能力。

本征半导体

纯净且具有晶体结构的半导体。

在绝对零度时不导电。空穴和自由电子均参与导电（统称为载流子）。

对其施加温度或光照（热激发），价电子获得能量，产生自由电子和空穴对（此现象称作本征激发）。

自由电子在运动的过程中遇空穴会填补，称作复合。

书上插图1.1.1和1.1.2

温度越高，载流子浓度越高，导电能力越强。

WARNING

本征半导体的载流子浓度低，导电能力弱

NOTE

（似乎不需掌握，作拓展）

理论分析表明，本征半导体浓度为

$n_{i} = p_{i} = K_{i} T^{\frac{3}{2}} e^{\frac{- E _{GO}}{( 2 k T )}}$

$n_{i}$ 和 $p_{i}$ 表示自由电子与空穴浓度， $T$ 为热力学温度， $k$ 为玻尔兹曼常数， $E_{GO}$ 为热力学零度时破坏共价键所需能量（禁带宽度）， $K_{i}$ 是与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量

杂质半导体

在本征半导体中掺入 3 价或 5 价元素的半导体。

N 型半导体 ：纯净本征半导体中掺入五价元素，自由电子为多数载流子（又称多子），空穴为少数载流子（又称少子）。

P 型半导体 ：纯净本征半导体中掺入三价元素，空穴为多子，自由电子为少子。

PN 结

P 型半导体与 N 型半导体的交界面形成 PN 结，具有单向导电性。

PN 结的形成

先明确两个概念：

扩散运动 ：多数载流子由于浓度差引起的运动，从浓度高的地方向浓度低的地方移动。形成 PN 结，产生内电场，阻止扩散运动。

漂移运动 ：少数载流子由于内电场作用下引起的运动。增加多数载流子的浓度差，有利于扩散运动。

PN 结形成的基本流程如下：浓度差 -> 扩散运动 -> 内电场加强 -> 增强漂移运动 -> 漂移运动和扩散运动达到动态平衡 -> 空间电荷区宽度一定 -> PN 结形成。

在交界面附近，有一块区域缺少多子，此区域称为 空间电荷区 或 耗尽层 （图中黄色区域）。

PN结

PN 结的特性

单向导电性，正向导通（外电场驱动扩散运动），反向截止（外电场驱动漂移运动，但由于少子数量极少，产生电流忽略不计）。

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PN 结电容

记 $C_{i}$ 为 PN 结的结电容

$C_{b}$ 为势垒电容（ 0.5pF~10pF) ：空间电荷区的宽度和空间电荷数量随外加电压而变化。与 PN 结的结构、制作工艺、掺杂浓度有关。反偏时占主导。

$C_{d}$ 为扩散电容：PN 结正偏时，靠近耗尽层交界处，少子浓度高，且向远离耗尽层的方向扩散，扩散区的电荷积累与释放如同电容的充放电过程。正偏时占主导。

则

C_{i} = C_{b} + C_{d}

$C_{b}$ 和 $C_{d}$ 一般极小，旨在高频信号下才考虑其作用。

1.1 半导体基础知识 ​

本征半导体 ​

杂质半导体 ​

PN 结 ​

PN 结的形成 ​

PN 结的特性 ​

PN 结电容 ​