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模电知识整理第零章导言第一章常用半导体器件1.1 半导体基础知识1.1.1 本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体1.1.1.1 半导体物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素。绝缘体一般为高价元素（如惰性气体）。常用半导体材料硅锗均为四价元素。1.1.1.2 本征半导体的晶体结构晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。本征半导体中的电子通过共价键互联。1.1.1.3 本征半导体中的两种载流子常温下，极少数价电子由于热运动（热激发）获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子，带负电。自由电子脱离轨道束缚，原处留下空位置，称为空穴，带正电。自由电子与空穴成对出现，数目相等。在本征半导体外加电场，则自由电子将产生定向移动，形成电子电流；空穴将被价电子按一定方向依次填补，即空穴也产生定向移动，形成空穴电流。二者运动方向相反。半导体中电流为自由电子与空穴电流之和。运载电荷的粒子称为载流子。导体的载流子仅有自由电子一种；本征半导体的载流子有自由电子和空穴两种。1.1.1.4本征半导体中载流子的浓度本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象。复合：自由电子填补空穴的现象。动态平衡：本征激发产生的自由电子与空穴数目相等。在一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，且自由电子与空穴浓度相等。环境温度升高时，载流子浓度升高，导电性增强。本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。可用于制作热敏、光敏器件，但也会造成半导体器件温度稳定性差。1.1.2杂质半导体通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素得到的半导体。1.1.2.1 N型半导体在纯净的硅晶体中掺入五价元素。杂质原子外层有五个价电子，因此除了参与构成共价键的价电子，还多出一个电子，这个电子只需要很少的能量就可以挣脱束缚，成为自由电子。杂质原子因为在晶格上，且缺少电子，因此变为不能移动的正离子。在N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴浓度。称自由电子为多数载流子，简称多子；称空穴为少数载流子，简称少子。N型半导体主要靠自由电子导电，掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强。杂质原子可以提供电子，称杂质原子为施主原子。1.1.2.2 P型半导体在纯净的硅晶体中掺入三价元素。杂质原子外层有三个价电子，因此在与周围的硅原子形成共价键时，产生了一个空位，当硅原子的外层电子填补此空位时，其共价键中就产生了一个空穴。杂质原子因为在晶格上，且多出电子，因此变为不可移动的负离子。在P型半导体中，空穴浓度大于自由电子浓度。称空穴为多子，自由电子为少子。P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂志越多，空穴浓度越高，导电性越强。杂质原子可以吸引电子，称杂质原子为受主原子。1.1.3PN结采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在其交界面形成PN结。PN结具有单向导电性。1.1.3.1 PN结的形成1.1.3.1.1 扩散运动：物质从浓度高的地方想浓度低的地方运动。P\N型半导体制作在一起时，在交界面，两种载流子的浓度差很大，因而P区的空穴必然向N区扩散，N区的自由电子也必然向P区扩散。扩散到P\N区的载流子相互复合，因此在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，该区域称为空间电荷区，形成内电场。随着扩散运动的惊醒，空间电荷区价款，内电场增强，方向由N指向P，阻止扩散运动的进行——符合勒沙特列原理。1.1.3.1.2 漂移运动：载流子在电场力作用下的运动。空间电荷区内，正负电荷电量相等；当P\N区内杂质浓度相等时，正负离子区宽度相等，称为对称结，否则成为不对称结。两种结的外部特性相同。由于在空间电荷区内载流子非常少，因此分析时常常忽略载流子的作用，只考虑离子区的电荷，这种方法称为“耗尽层近似”，因此空间电荷区也称为耗尽层。1.1.3.2 PN结的单向导电性如果在PN结的两端外加电压则会破坏其原来的平衡状态，此时扩散电流不再等于飘逸电流，因此PN结中将有电流通过。1.1.3.2.1 PN结外加正向电压时处于导通状态电源正极接到PN结P端（Positive End），且电源负极接到PN结N端（Negative End），称PN结外加正向电压，也称正向接法或正向偏置。此时外电场将多数载流子推向空间电荷区，使其变窄，削弱内电场，使扩散运动家具，漂移运动减弱。由于电源作用，扩散运动将持续进行形成正向电流，PN结导通。在PN结导通的电路中，应在回路中串联限流电阻。1.1.3.2.2 PN结外加反向电压时处于截止状态电源正极接到PN结N端，电源负极接到PN结P端，称PN结外加反向电压，也称反向接法或反向偏置。此时外电场使空间电荷区变宽，加强内电场，阻止扩散运动，加剧漂移运动，反向电流非常小，因此在近似分析中常忽略不计，认为PN结在外加反向电压时处于截