一、半导体的基本知识
1、半导体材料
（1）通常称电阻率在范围内的物质为半导体，其导电能力介于导体和绝缘体之间。常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge）。
（2）半导体的特性：
①光敏性：半导体的导电能力随光照的变化有显著改变。
②热敏性：半导体的导电能力随温度提高迅速增加。
③杂敏性：半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。
2、本征半导体、空穴及其导电作用
（1）本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
（2）载流子是指可以自由移动的带有电荷的物质粒子，半导体中有两种载流子——自由电子和空穴。
（3）本征激发（热激发）是指被束缚的价电子获得了足够的随机热振动能量而挣脱共价键的束缚，形成自由电子，此时共价键留下一个空位，这个空位叫做空穴。下图所示的是硅原子结构简化模型及晶体结构。
①本征激发所产生的自由电子和空穴是成对出现的。
②自由电子和空穴相遇重新结合成对消失的过程，称为复合。
（4）束缚电子移动产生电流的根本原因是因为本征激发产生了空穴。将空穴看作是带正电荷的粒子，其电量与电子相同、符号相反，即可用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流。
（5）在热能的激励下，晶体中的共价键结构被打破，以一定的速率成对地产生自由电子和空穴，温度愈高，其产生率愈高；另一方面，当一个自由电子与一个空穴相遇复合时，即空穴与自由电子相结合而形成一个新的填充的共价键。一旦空穴和自由电子浓度建立起来之后，复合作用是经常性的，当温度一定时，载流子（电子和空穴）的复合率等于产生率，即达到一种动态平衡。当载流子的浓度较高时，晶体的导电能力增强，换言之，本征半导体的导电率将随温度的增加而增加。
3、杂质半导体
（1）在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
（2）N型半导体：
①因五价杂质原子（如磷）中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。
②在N型半导体中，自由电子是多数载流子，主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。
③提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。
（3）P型半导体：
①因三价杂质原子（如硼）在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。
②在P型半导体中，空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。
③空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子，因此三价杂质也称为受主杂质。
（4）需要注意的是，半导体中正负电荷数是相等的，因此半导体保持电中性。
二、PN结的形成及特性
1、PN结的形成
（1）载流子的漂移和扩散：
①漂移：由于热能的激发，半导体内的载流子将作随机的无定向移动，载流子在任意方向的平均速度为零，若有电场加到晶体上，则内部载流子将受力做定向移动，对于空穴而言，其移动方向与电场方向相同，而电子则是逆着电场的方向移动。
②扩散：在半导体内，由于制造工艺和运行机制等原因，致使某一特定的区域内，其空穴或电子的浓度高于正常值，基于载流子的浓度差异和随机热运动速度，载流子由高浓度区域向低浓度的区域扩散，从而形成扩散电流。如果没有外来的超量载流子的注入或电场作用，晶体内的载流子浓度趋向于均匀直至扩散电流为零。
（2）PN结的形成过程：
①在半导体两个不同的区域分别掺入三价和五价杂质元素，便形成P型区和N型区，这样，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差异，N型区内电子浓度很高，而P型区内空穴浓度很高。
②电子和空穴都要从浓度高的区域向浓度低的区域扩散，即有一些电子要从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散，它们扩散的结果就使P区和N区的交界处原来呈现的电中性被破坏了。P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子；N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。
③半导体中的离子虽然也带电，但由于物质结构的关系，它们不能任意移动，因此并不参与导电，这些不能移动的带电粒子集中在P区和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的PN结。在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此空间电荷区有时又称为耗尽区（或者势垒区），它的电阻率很高（扩散越强，空间电荷区越宽）。
④在出现了空间电荷区以后，由于正负离子之间的相互作用，在空间电荷区中就形成了一个电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。由于这个电场是在 PN结区内部形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场。显然，这个内电场的方向是阻止载流子扩散运动的。
⑤另一方面，根据电场的方向和电子、空穴的带电极性还可以看出，这个内电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区失去的空穴，而从P区漂移到区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少。因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，其作用正好与扩散运动相反。
⑥由此可见，扩散运动和漂移运动是互相联系又互相对立的，扩散使空间电荷区加宽，电场增强，对多数载流子扩散的阻力增大，但使少数载流子的漂移增强；而漂移使空间电荷区变窄，电场减弱，又使扩散容易进行。当漂移运动和扩散运动相等时，空间电荷区便处于动态平衡状态。
2、PN结的单向导电性
（1）当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。
（2）PN结加正向电压时：
①PN结变薄，内建电场减弱。
②当外加电压足以克服内建电场后，形成宏观上从P区流入，N区流出的电流，记作正向扩散电流。
③的少量变化可引起的很大变化。
④PN结正偏时，可看作是一个阻值很小的电阻，称作PN结的正向导通。
（3）PN结加反向电压时：
①PN结变厚，内建电场增强。
②宏观上形成由N区流入，P区流出的电流，称为反向漂移电流，记作。
③改变时，变化很小，因为在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。
④PN结反偏时，可看作是一个阻值很大的电阻，称作PN结的反向截止。
（4）PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论——PN结具有单向导电性。
（5）PN结伏安特性的表达式为，其中为反向饱和电流，为温度的电压当量（常温T=300K下有=26mV）。
3、PN结的反向击穿
（1）当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。
（2）PN结的反向击穿又分为雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿，其中雪崩击穿、齐纳击穿统称为电击穿，是可逆的，而热击穿是不可逆的。
4、PN结的电容效应
（1）扩散电容：
①当PN结处于正向偏置时，P区的空穴将向N区扩散，其结果导致在N区靠近结的边缘有高于正常情况时的空穴浓度，这种超量的空穴浓度可视为电荷存储到PN结的邻域，存储电荷量的大小取决于PN结上所加正向电压值的大小。离结愈远，空穴浓度将随之减小，这是因为空穴在N区与多数载流子——电子产生复合所致。N区的电子向P区扩散的情况与上述情况类似。
②PN结两侧的载流子浓度分布如下图所示，这是针对P、N两侧的掺杂程度相等而言的，即。若外加正向电压有一增量，则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量，二者之比为扩散电容。
③PN结在正向偏置时，积累在P区的电子和N区的空穴随正向电压的增加而很快增加，扩散电容较大。反向偏置时，载流子数目很少，因此反向偏置时扩散电容数值很小，一般可以忽略。
（2）势垒电容：
①当PN结处于反向偏置，外加电压增加时，势垒电位增至，结电场增强，多数载流子被拉出而远离PN结，势垒区将增宽；反之，当外加电压减小时，势垒区变窄。
②势垒区的变化，意味着区内存储的正、负离子电荷数的增减，类似于平行板电容器两极板上电荷的变化，此时PN结呈现出的电容效应称为势垒电容。
文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-856638.html
（3）PN结的电容效应是扩散电容和势垒电容的综合反映，除了与本身结构和工艺有关外，PN结电容的大小还与外加电压有关。当PN结处于正向偏置时，结电容较大（主要决定于扩散电容）；当PN结处于反向偏置时，结电容较小（主要决定于势垒电容）。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-856638.html
到了这里，关于模拟电路 第一章（二极管及其电路）【上】的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！
