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第一周：半导体器件基础（一）

时间：2024-03-17 15:31:28

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第一周：半导体器件基础（一）

参考书：

《模拟电子技术基础（第四版）》华英成、童诗白主编

《电子技术基础（模拟部分）》康华光主编

IB ( IB Q ) 大写字母、大写下标,表示直流量(或静态电流)
iB 小写字母、大写下标,表示包含直流量的瞬时总量
Ib 大写字母、小写下标,表示交流有效值
ib 小写字母、小写下标,表示交流瞬时值
ΔIB 表示直流变化量
ΔiB 表示瞬时值的变化量

1.半导体基础与PN结

1.1、基础知识

1.1.1、半导体

概念：半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。本征半导体：本征半导体是指完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体，一般是指其导电能力主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。典型的本征半导体有硅(Si)、锗(Ge)及砷化镓(GaAs)等

1.1.2、本征半导体的晶体结构

1.1.3、载流子

本征激发：当有能量大于禁带宽度的光子照射到半导体表面时,满带中的电子吸收这个能量,跃迁到导带产生一个自由电子和自由空穴,这一过程称为本征激发。复合：自由电子与空穴重新结合成为共价键的过程自由电子：自由电子是价带电子跃迁到导带后的带电粒子空穴：空穴是价带电子跃迁到导带后剩余电子的等效粒子

1.1.4、载流子的浓度

处于热平衡状态的半导体,在一定温度下，载流子浓度是一定的。温度升高时，本征激发的速率在加快，复合速率后发加快。载流子浓度在达到一定浓度时，本征激发和复合的速率达到动态平衡。

1.2、杂质半导体

1.2.1、概念：掺入少量的杂质元素

1.2.2、N型半导体（Nagetive）

掺入P（磷），施主杂质多子：掺入的少量杂质(磷)提供了大量的自由电子，自由电子是多数载流子。浓度受杂质浓度影响较大少子：空穴，由本征激发产生的载流子（浓度较同等条件的本征半导体下少）。浓度受温度影响较大

1.2.3、P型半导体（Positive）

掺入Be（硼），受主杂质多子：掺入的少量杂质(硼)提供了大量的空穴，空穴是多数载流子。浓度受杂质浓度影响较大少子：自由电子，由本征激发产生的载流子（浓度较同等条件的本征半导体下少）。浓度受温度影响较大

1.3、PN结

1.3.1、PN结的形成

扩散运动：多数载流子从浓度高的地方向浓度低的地方自发的扩散，即自由电子往P方跑，空穴往N方移。空间电荷区：耗尽层，阻挡层，PN结（个人理解：自由电子和空穴在对撞之后的“尸体”堆成的楚河汉界）。空间电荷区促进少子飘移，阻止多子扩散漂移运动：空间自电场产生电场力吸引少子穿越空间电荷区的过程。对称结，不对称结.

1.3.2、PN结的单向导电性

外加正向电压：削减内电场势能，增强半导体的扩散运动。削减到一定量的时候（硅管约为0.7v，锗管约为0.3v），PN结相当于一条导线。外加反向电压：增强内电场势能，增强半导体的漂移运动。此时，温度对PN结电流影响较大。

1.3.3、PN结的电流方程

i=Is（eU/Ut−1)i=Is（e^{U/U_t}-1)i=Is（eU/Ut−1)

T = 300K时（室温），Ut = 26 mV

1.4、PN结的伏安特性

1.4.1、正向特性

死区阈值电压：硅Uth ≈ 0.5V，锗Uth ≈ 0.1V。工作（导通电压）：硅Uf = 0.6 ~ 0.8V ，锗Uf = 0.1 ~ 0.3V。

1.4.2、反向特性

反向电流同电压下，硅管电流比锗管小

1.4.3、反向击穿

雪崩击穿：掺杂浓度低时，会在PN结形成稳定的共价键。温度越高，雪崩击穿所需要的电压越高。少子通过撞击共价键，形成链式反应，形成雪崩击穿。（加反向电压导致加强内电场，然后形成粒子加速器。前提：PN结有足够的长）齐纳击穿：掺杂浓度高时，耗尽层窄。当温度升高时，电子热运动加剧，较小的反向电压就能把价电子从共价键中拉出来，所以温度上升时，击穿电压下降，也就是说，齐纳击穿具有负的温度系数。