半导体和PN结

妖狐艹你老母 2021-09-17 14:18 304阅读 0赞

# 模电：半导体和PN结 #

半导体（semi-conductor），是指常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅是在商业应用上最具有影响力的一种。

*  **本征半导体**  
    纯净不含杂质的半导体，称为本征半导体。  
    以硅晶体结构为例：  
    
    
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    硅晶体4个共价键结构
    
      
    硅是+4价原子，外部有4个电子。硅晶体内部，每两个硅原子之间都有2个电子组成**共价键**。  
    　  
    我们知道，水流是由水的移动形成的，水分子是水流的**载流子**；同样，带电荷的可移动粒子是电流的**载流子**。由于受到共价键的束缚，原子核（带正电荷）和电子（带负电荷）都不可移动的，所以硅的导电性能比较差。  
    　  
    硅晶体的共价键并不是非常坚固，由于受到热、光等能量的激发作用，部分电子获得足够的能量，可以摆脱共价键的束缚，带负电荷的电子便可以移动了，支持了电流的形成。这个电子离开原子后，共价键就少了一个电子，留下一个空位置（我们称为空穴），该原子失去电子的同时，变成了带正电荷的离子。因为这种带正电荷的离子都有一个空穴，我们不如将空穴视为带正电荷的“粒子”（实际上空穴不是粒子，但是原子有空穴，就代表此处带正电）。  
    　  
    这种由于热激发产生了一对“自由电子”和“空穴”的过程，称为![\\color\{red\}\{本征激发\}][color_red]。自由电子带负电荷，空穴代表正电荷。自由电子和空穴都是半导体的载流子。  
    同理，自由电子和空穴也可以复合，复合后一对自由电子、空穴消失，同时释放能量。

常温下，本征激发产生的自由电子非常少，导电性很差，介于绝缘和导体之间，所以称其为半导体。

*  **杂质半导体**  
    掺入杂质的半导体称为杂质半导体。  
    由于本征导电性能差，如果参入+5价或者+3价的原子，可以大大提高其导电性能。  
    比如，掺入+5价的磷原子后，磷的4个电子和周围4个硅原子形成共价键，还剩有1个电子，由于不受共价键束缚可以自由移动，这种杂质半导体称为N型半导体。N代表负极性Negetive，由于引入了1个自由电子，所以称为N型半导体。  
    同理，掺入+3价的硼原子后，硼的3个电子和周围4个硅原子形成共价键的话，会出现一个空穴，这种杂质半导体称为P型半导体。P代表正极性Positive。  
    
    
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 *  **PN结**  
    将P型半导体和N型半导体放在一起后，在它们的接触面会形成PN结。  
    PN结最显著的特点是：电流单向导通。

我们都在初中物理中都学过扩散原理。**由于浓度不均匀而产生的粒子定向运动，叫做扩散**。  
当把Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起后，虽然原子受共价键作用不能移动，但是空穴和自由电子是可以移动的。于是，在接触面附近的电子和空穴会向对方区域移动而复合消失。

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扩散运动

**在接触面附近，失去电子和空穴的原子变成了带电离子，但由于共价键束缚不可移动，便形成了一个内部电场**。

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内电场形成

这个内电场形成后，反过来又阻止扩散运动。最后会达到一个动态的平衡。中间这个内电场区域，因为只有离子也叫 **空间电荷区**。内电场形成的电势阻止了电子和空穴的扩散、复合，在PN之间形成了一道壁垒，所以又称为 **势垒区**。这就是PN结的形成过程。  
提一下， **由于内电场的作用，使载流子产生的运动，叫做漂移运动**。PN结内，漂移运动方向和扩散运动是相反的。

*  **PN结的特点**  
    **PN结最显著的特点是：电流正向导通，反向截止**。  
    　  
    给PN结外加正向电压时，我们称为**正向偏置，简称正偏**。  
    正偏状态下，外加的电场会削弱内电场的壁垒作用，空间电荷区变窄，电子和空穴穿越空间电荷区会容易些。在外电场的持续作用下，便可以形成持续的电流。外电场越大，电流越大。  
    
    
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    PN结正偏导通
    
      
    　  
    给PN结外加反向电压时，我们称为**反向偏置，简称反偏**。  
    反偏状态下，外加的电场会增强内电场的壁垒作用，空间电荷区变宽，电子和空穴更加难以进入空间电荷区，不能形成持续的电流。  
    
    
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    PN结反偏截止

划重点：PN结形成过程
    ▼载流子浓度不均->扩散运动->在P、N接触面，电子空穴复合消失
    ▼离子不能移动->空间电荷区->内电场->漂移运动、阻止扩散->动态平衡，形成PN结

用PN结做成的器件就是二极管。其实这种单向导通的特点，在生活中也很常见，比如，车站单向出口旋转门，轮胎的气门芯，防止水管逆流的止回阀，心脏和血管里防止血液逆流的瓣膜。

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静脉瓣膜，正向开放、反向关闭

相关链接：  
1、[去看看二极管长啥样][Link 1]  
2、[PN结二极管的什么时候发明的][PN]

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