模拟电路-半导体初识

💢导体

• 🔥 导体(Conductor)是指电阻率很小且易于传导电流的物质。
• 🔥 导体中存在大量可自由移动的带电粒子称为载流子。

💢金属及石墨

• 🥝 金属中的最外层电子容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。
• 🥝 石墨是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子（排列方式呈蜂巢式的多个六边形）以共键结合，构成共价分子。由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，石墨属于导体。

💢金属及石墨导电机制

• 🥝 自由电子在电场的作用下的定向移动。

💢电解质溶液

• 🍐 凡是在水溶液或熔融状态下能够解离成阳离子与阴离子而导电的化合物叫电解质。
• 🍐 例如酸、碱、盐、活泼金属氧化物、过氧化物、氢化物等，属于电解质。
• 🍐 分强电解质和若电解质，根据电离的数量分类。

💢电解质溶液导电机制

• 🍐 电解质分子解离城阳离子和阴离子，当在溶液的两端加上电场，溶液中的阳离子和阴离子会在电场力的作用下进行定向移动，形成电流。

💢绝缘体

• 🍉 绝缘体是指极不容易传导电流的物质。
• 🍉 绝缘体的电阻非常高，对电流的阻碍作用极大，因为绝缘体内部几乎没有可以自由移动的电荷。
• 🍉 通常情况下，绝缘体不会传导电流，但在极高的电压下，绝缘体可能会被击穿而导电。
• 🍉 常见的如橡胶，塑料，玻璃，陶瓷等都是绝缘体。

💢半导体

• 🍓 导电性介于导体和绝缘体之间的物质。
• 🍓 常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。

💢本征半导体

• 🍋 将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成的纯净的，且具有完整晶体结构的半导体，称为本征半导体。
• 🍋 本征半导体结构示意图如下，根据原子物理知识，在最外层至少有8个价电子才能形成稳定的原子结构，在4价元素形成晶体时，每个原子周围都有4个相邻的原子，它们各拿出一个价电子与中心原子共享，从而形成稳定的晶体结构。
  
  

💢本征激发

• 🍍 当温度为绝对零度T=0K(-273℃)且无外界能源时，微观粒子没有无规则运动的能量，所有的价电子均被束缚于共价键。
• 🍍 当温度升高时，有的价电子因为热运动(热激发)获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键上留下空位(空穴)，称为本征激发，又称为产生过程，即半导体在热运动下产生自由电子和空穴对的现象。

💢载流子

• 🍈 能够导电的粒子或者电荷是载流子。
• 🍈 在本征半导体两端加上电场后，半导体中的自由电子会产生定向移动，形成电子电流。同时由于空穴的存在，价电子在在外电场作用下，会依次填补空穴，相当于空穴也产生了定向移动，形成空穴电流。
• 🍈 本征半导体中的电流是两个电流之和，本征半导体中有两种载流子，自由电子和空穴。

💢载流子的复合与平衡状态

• 🍌 在半导体中，存在与本征激发相反的一个过程，自由电子和空穴在热运动中会相遇，消失在茫茫晶格中，称为复合。
• 🍌 自由电子和空穴的数量越多，它们相遇及复合的概率就越高，所以复合的快慢取决于载流子的多少。
• 🍌 在一定的温度下，本征激发产生的自由电子空穴对与复合的自由电子和空穴对数目相等，达到了动态平衡。

💢本征浓度

• 🍈 在一定温度下，本征半导体中载流子浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。
• 🍈 平衡状态下，本征半导体单位体积内的自由电子数或者空穴数称为本征浓度。
• 🍈 温度升高，是因为热运动加剧，本征浓度增大。
• 🍈 T=300K时，硅的浓度为
  
• 🍈 T=300K时，锗的浓度为
• 

💢杂质半导体

• 🥝 为了控制半导体的导电特性，实际使用中，用于制造半导体的材料，是通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量杂质元素，得到杂质半导体。
• 🥝 杂质元素一般时三价或者五价元素，控制掺入的杂质元素的浓度，就可以控制杂质半导体的导电性能，其导电性能不再是有温度决定。

💢💢N型半导体

• 🥝 这么记忆，N是negtive的意思，N型半导体中的多子带负电，是自由电子，所以是N型。
• 🥝 掺入5价元素杂质，因为杂质最外层是5个价电子，与其周围的硅原子形成共价键外，还多了一个电子，它只要很小的能量就可以挣脱原子核的束缚，成为自由电子，杂质原子在晶格上，因为缺少了自由电子，成为不能移动的正离子，这一现象称为施主电离。施主，杂质原子提供(施舍)自由电子。
• 🥝 施主电离产生的是自由电子和正离子，不产生空穴，空穴是有本征激发产生的。
• 🥝 施主电离产生自由电子的数目远远大于本征半导体，使得本征激发产生的空穴被自由电子进一步复合，空穴比本征激发更少。
• 🥝 在N型半导体中，自由电子是多数载流子，多子，空穴是少数载流子，少子。
• 🥝 在N型半导体中，自由电子的数量等于空穴+正离子的数量，半导体保持电中性。
  

💢💢P型半导体

• 🥝 这么记忆，P是positive的意思，P型半导体中的多子带正电，是空穴，所以是P型。
• 🥝 掺入3价元素杂质，因为杂质最外层是3个价电子，与其周围的硅原子形成不完整的共价键，共价键上还多余了一个空位，这个空位不显示电荷，不是空穴，而周围的硅原子外层电子在热运动下，很容易挣脱共价键束缚去填补这个空位，使得空位转移到半导体原子的共价键上，形成了空穴。杂质原子在晶格上，因为接收了一个电子而成为不能移动的负离子，这一现象称为受主电离。受主，杂质原子接受(施舍)自由电子。
• 🥝受主电离产生的是自由电子和正离子空穴，空穴是有本征激发产生的。
• 🥝 受主电离产生空穴的数目远远大于本征半导体，使得本征激发产生的电子被空穴进一步复合，自由电子比本征激发更少。
• 🥝 在P型半导体中，空穴是多数载流子，多子，自由电子是少数载流子，少子。
• 🥝 在P型半导体中，空穴的数量等于自由电子+负离子的数量，半导体保持电中性。
  

💢💢杂质半导体中的载流子浓度

• 🍓 在N型和P型半导体中，存在杂质电离和本征激发两种产生载流子的过程，在少量掺杂时，平衡状态条件下自由电子浓度（n0）与空穴浓度(p0)的乘积等于同一温度时的本征浓度的平方。
  
• 🍓 在一定温度下，掺杂使多子浓度越高，就会使少子浓度越低。
• 🍓 在一定的温度范围内，多子浓度约等于杂质密度，受温度影响很小，而少子因为由本征激发产生，少子浓度对温度非常敏感。
• 🍓 常温时，多子浓度远大于本征浓度，少子浓度远小于本征浓度。
• 🍓 杂质半导体中，多子远大于少子的特性，是半导体工作的内在条件，当温度升高到使两种载流子浓度可以相比较时，杂质导电特性不复存在，半导体不能正常工作。
• 🍓 在同一温度下硅的本征激发远比锗弱，这是硅半导体器件的最高工作温度更高的原因。

💢漂移电流和扩散电流

💢漂移运动及电流

• 🍋 在电场力的作用下，载流子的宏观定向运动称为漂移运动，由此产生的电流称为漂移电流。
• 🍋 在半导体中，空穴沿电场力方向漂移，自由电子逆电场力方向漂移，半导体中的漂移电流为二者相加。
• 🍋 电场力使载流子定向加速，但载流子在加速过程中又不断与晶格碰撞而改变方向，载流子的微观运动并不是定向的，而是宏观上有一个平均漂移速度。电场越强，载流子的平均漂移速度越快。
• 🍋 漂移电流与电场强度和载流子浓度成正比。
• 🍋 多子漂移电流远大于少子漂移电流。

💢扩散运动及电流

• 🍋 由于载流子的浓度差而产生的载流子的宏观定向运动称为扩散运动，由此产生的电流称为扩散电流。
• 🍋 扩散电流与载流子在扩散方向上的浓度梯度成正比，而与载流子浓度无关，与电场强度无关。