《模拟电子技术基础》课程笔记(三)——半导体基础知识

1.半导体基本知识

        按导电能力不同，物体可分为导体、半导体和绝缘体。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。

        半导体材料有硅、锗、硒以及部分金属氧化物和硫化物。

        在不同条件下半导体材料的导电能力有很大差别。

        环境温度————>热敏电阻

        光照————>光敏电阻

        掺入微量的某种杂质，导电能力大幅提高。

2.本征半导体

        本征半导体是完全纯净的、结构完整的半导体。

        相邻原子最外层电子形成共价键，价电子为两个原子共有，幸成有序的晶体结构。

        当温度为0K时，半导体中无自由电子；当温度大于0K或受到光照时，有些价电子挣脱共价键的束缚，成为自由电子。这种现象称为本征激发（也称为热激发）。本征激发产生电子——空穴对。

        自由电子在运动过程中，如果与空穴相遇就会填补空穴，称为复合。在一定温度下，本征激发和复合运动达到动态平衡。

3.杂质半导体

N型半导体

        在本征半导体中，掺入五价元素，如磷P、锑Sb、砷As；

        自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子，也称电子型半导体。

        杂质半导体称为施主原子。

P型半导体

        在本征半导体中，掺入三价元素，如硼B、镓Ga、铟In；

        空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子，也成为空穴型半导体。

        杂质原子称为受主原子。

PN结的形成

        通过掺杂工艺将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上。

        多子扩散：由浓度差引起多子的扩散运动。自由电子和空穴复合，形成空间电荷区，也叫耗尽层；

        少子漂移：少子在空间电荷区内电场作用下的运动；

        动态平衡：多子扩散和少子漂移达到动态平衡。

PN结的单向导电性

1.PN结外加正向电压（正向偏置）

        外电场与内电场方向相反，空间电荷区变窄。

        内电场阻碍扩散运动。

        外电场促进扩散运动。

2.PN结外加反向电压（反向偏置）

        外电场与内电场的方向相同，空间电荷区变宽。

        阻止多子的扩散运动，扩散电流显著减小；少子漂移运动增强，漂移电流（反向电流）非常小。PN结反向截止呈高阻性。

        温度一定时，反向电流近似为一定值，称为反向饱和电流。

PN结的电容效应

        当PN结的偏置电压发生变化时，空间电荷区内的电荷量及其两侧载流子的数目均发生变化，与电容器的充放电过程相同，称为PN结的电容效应。

1.势垒电容

        PN结外加反向偏置时，空间电荷区的宽度随反向偏置电压变化所等效的电容称为势垒电容。

2.扩散电容

        PN结正向偏置时，非平衡少子的浓度随正向偏置电压变化所等效的电容称扩散电容。

        PN结的结电容为势垒电容和扩散电容之和。

        结电容一般较小，通常为几皮法至几百皮法。

        当信号频率较低时，结电容的容抗很大，其作用可以忽略不计；当信号频率较高时，需要考虑结电容的影响。

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