模电的学习过程跟随上交大郑益慧老师的模电课程

教材采用《模拟电子技术基础（第四版）》华英成、童诗白主编——高等教育出版社

半导体基础

一、本征半导体

本征半导体：指纯净的具有晶体结构的半导体。

本征激发：指半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象。

通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，即可得到杂质半导体。控制掺入杂质元素的浓度，就可以控制杂质半导体的导电性能。

在纯净的硅晶体当中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。事实上，当磷取代了硅的位置后，由于磷原子外层有5个电子，在常温下由于热激发，导致自由电子增多。此时自由电子为多数载流子（多子），空穴成为少数载流子（少子）。杂质原子提供电子，故称为施主电子。

N为Negative(负)的字头，由于电子带负电，故称之为N型半导体。

同理，在纯净的硅原子当中掺入三价元素（如硼），使得空穴成为多子，自由电子成为少子。因杂质原子中的空位吸收电子，故称之为受主原子。

P为Positive(正)的字头，由于空穴带正电，故称之为P型半导体。

PN结：采用不同的掺杂工艺，将以上两种半导体制作在同一块硅片上，在交界面就形成PN结。

PN结具有单向导电性。

由于浓度差所产生的扩散运动，两种半导体之间的载流子浓度差很大，因此P区空穴向N区扩散，N区自由电子向P区扩散。自由电子与空穴相互复合，在交界处附近的多子浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，由于原子处于晶格当中无法移动，就形成了空间电荷区，从而形成内电场。

事实上，当N区的五价元素失去一个电子时，最外层剩下4个电子形成稳定结构，从而形成正离子。同理，当P区的三价元素得到一个电子时，最外层也为4个电子，从而形成负离子，就这样形成了内电场。

随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，方向由N区指向P区，正好阻止了扩散运动的进行。

多子做扩散运动，而少子穿过空间电荷区的运动被称为漂移运动。（简称：多子扩散，少子漂移。）

当两边半导体的掺杂程度相同时，则称这种PN结为对称结，相对应的还有不对称结。

当二极管受外部的正向电压时（即从P指向N），外电场削弱内电场，二极管正向导通，同理，当二极管受外部的反向电压时（即N指向P）,外电场增强内电场，空间电荷区逐渐变宽，二极管反向截止。

事实上去，当二极管受到反向电压时，少子的漂移运动增强，所以还是会产生微安级的电流，由于电流太小几乎可以忽略不计，而这一电流对温度比较敏感，这一电流被称作反向饱和电流。

上图画的过于理想，事实上在加上反向电压的时候，还存在一部分的反向饱和电流。并不是完全为零。

锗管（Ge）的正向导通电压一般为：0.2-0.3V。

硅管（Si）的正向导通电压一般为：0.6-0.7V。

1、正向特性：死区

2、反向特性：反向击穿

E=U/d

当掺杂浓度比较低的时候，PN结由于反向电压而产生足够的宽度，则PN结则会变成类似与粒子加速器的效果，当自由电子进入PN结之后之后，在场强作用下速度加快，冲击价电子，价电子被冲击后形成自由电子，如此往复。

温度越高，雪崩击穿所需要的击穿电压就越高。雪崩击穿所需要的除了一定大的场强，还要有足够的距离供粒子加速。倘若加速的行程足够长，那么所需要的电压（场强）就越低。温度升高后，晶格结构也会开始运动，离子碰上晶格的概率增大，行程变短的概率也会增大。所以更短的距离就需要更大的电压以获取更多的能量。

掺杂浓度比较高导致场强大，PN结距离短，只需要很小的电压，直接将价电子从共价键当中拉出。

温度越高，齐纳击穿所需要的击穿电压就越低。温度越高，价电子本身的热运动加剧，更容易移动。

反向击穿引起PN结温度升高，电流乘以PN结的电压就是PN结消耗的电功率（发热），温度过高导致PN结烧毁

如果一个器件，随着电压变化，器件内储存的电量就变化，那么这一器件就表现出一种电容特性。

反向电压逐渐增大，中间的PN结逐渐加宽，加宽的同时电荷量也在增加。这种电容效应发生在势垒当中，因此称之为势垒电容。

PN结处于平衡状态时的少子被称之为平衡少子，当PN结处于正向偏置时，从P扩散到N的空穴和从N扩散到P的自由电子均被称为非平衡少子。当外加的正向电压一定时，靠近耗尽层交界面的非平衡少子浓度高，远离耗尽层的非平衡少子浓度低。形成浓度从高至低的浓度梯度（浓度差），从而形成了扩散电流。

扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容器充放电过程相同，这种电容效应称为扩散电容