模拟电子技术基础-本征半导体与杂质半导体

参考来源【模拟电子技术基础适合零基础考研初试复试模电想拿满分的同学超详细版本完结待补】 https://www.bilibili.com/video/BV1tuXaYrELq/?share_sourcecopy_webvd_source771344af6f1d0d063513edc151e8325b一、什么是半导体——从物质分类说起在自然界中所有物质根据其导电能力可以分为三大类类型导电性原因举例导体很好内部有大量自由移动的电子铜、铁、铝绝缘体极差几乎没有自由电子橡胶、陶瓷、塑料半导体介于两者之间可通过温度、光照或掺杂改变导电性硅Si、锗Ge✅重点半导体的神奇之处在于它的导电性不是固定的而是可以被控制和调节。这正是现代电子技术如手机、电脑芯片的核心基础。最常用的半导体材料是硅Silicon, Si因为它在地壳中含量丰富、稳定性好、易于加工。二、本征半导体Intrinsic Semiconductor1. 什么是本征半导体定义完全纯净、没有杂质、具有完美晶体结构的半导体。比如只由硅原子组成的晶体没有任何其他元素混入。符号表示为i-Sii 表示 intrinsic关键词纯净 晶体结构2. 硅原子的结构特点原子序数14核外电子排布第一层 2 个第二层 8 个最外层 4 个电子最外层 4 个电子称为“价电子”valence electrons⚠️ 化学规律告诉我们原子最外层达到8 个电子时最稳定像惰性气体。而硅只有 4 个价电子所以它会和其他原子“合作”形成共价键来达到稳定状态。3. 硅晶体中的共价键结构在固态硅中每个硅原子与周围四个硅原子共享电子形成共价键covalent bond每个共价键包含两个电子一个来自自己一个来自邻居这样每个硅原子都“感觉”自己有 8 个外层电子 → 达到稳定结构 图解想象Si / | \ Si-Si-Si \ | / Si三维晶格结构每个 Si 都连接四个邻居✅ 这种规则排列的结构叫做晶体结构非常稳定。4. 本征激发与载流子的产生虽然晶体很稳定但在常温下部分电子会因热能获得足够能量挣脱共价键束缚成为自由电子。这个过程叫本征激发intrinsic excitation当一个电子离开后会发生什么原来的共价键上就少了一个电子 → 出现了一个“空位”我们把这个空位叫做空穴hole空穴看起来像是一个带正电的粒子 注意空穴并不是真实存在的粒子而是对“缺一个电子”的一种等效描述。5. 载流子Charge Carriers所谓“载流子”就是能够携带电荷、参与导电的粒子。在半导体中有两种载流子载流子电性来源运动方式自由电子负电-e挣脱共价键的电子在晶格中自由移动空穴正电e共价键中的电子空缺邻近电子“跳进来”填补相当于空穴反向移动类比理解 想象一排坐满人的长椅突然有人站起来走了像电子离开留下一个空位空穴。旁边的人可以移到这个空位上于是空位就“移动”了。虽然没人真的向后走但空位看起来像在向前移动。6. 导电机制两种电流同时存在当给半导体加上电压时自由电子向正极移动 → 形成电子电流空穴被邻近电子不断填补 → 看起来空穴向负极移动 → 形成空穴电流✅总电流 电子电流 空穴电流这是半导体与金属导体最大的不同金属中只有电子导电而半导体中电子和空穴都能导电。7. 动态平衡激发 vs 复合本征激发电子获得能量 → 成为自由电子 空穴复合自由电子遇到空穴 → 重新填入共价键 → 电子和空穴同时消失 在一定温度下激发速度 复合速度自由电子数 空穴数载流子浓度保持稳定 →动态平衡 记住n p ni其中n电子浓度p空穴浓度ni本征载流子浓度只与材料和温度有关8. 温度对本征半导体的影响温度升高 → 原子热运动加剧 → 更多电子获得能量 → 更多本征激发结果载流子浓度 ↑导电能力 ↑ 所以本征半导体的导电性随温度显著增强⚠️ 缺点由于载流子数量少即使在高温下也远低于金属且受温度影响太大本征半导体不适合直接用于制造电子器件。三、杂质半导体掺杂半导体——让半导体真正“可控”为了提高导电性并实现精确控制科学家发明了掺杂技术在纯净半导体中加入微量特定杂质原子。这个过程叫做掺杂doping得到的半导体称为杂质半导体或非本征半导体extrinsic semiconductor根据掺入杂质的不同分为两类N型和P型1. N型半导体N-type Semiconductor(1) 掺什么杂质掺入五价元素最常用的是磷P还有砷As、锑Sb为什么选五价因为它们有5个价电子(2) 掺杂后的结构变化磷原子取代一个硅原子的位置它的4个价电子与周围4个硅原子形成共价键多出的第5个电子只受磷原子微弱吸引很容易脱离 → 成为自由电子 这个电子所需的能量非常小约0.04 eV室温下几乎全部电离(3) 施主杂质与施主能级磷原子提供电子 → 称为施主原子donor掺杂后形成的杂质能级靠近导带 → 叫施主能级电子从施主能级跃迁到导带很容易(4) 载流子情况多数载流子多子电子数量非常多少数载流子少子空穴仍然存在但很少关系电子浓度 ≫ 空穴浓度(5) 名称由来主要靠负电荷Negative载流子电子导电所以叫N型半导体(6) 导电性增强掺杂越多 → 自由电子越多 → 导电性越强可通过控制磷的浓度精确调控导电能力 总结N型 掺五价元素如P → 多子是电子 → 施主杂质2. P型半导体P-type Semiconductor(1) 掺什么杂质掺入三价元素最常用的是硼B还有铝Al、镓Ga三价元素只有3个价电子(2) 掺杂后的结构变化硼原子取代硅原子位置它只有3个价电子 → 与周围4个硅原子形成共价键时缺少1个电子 → 出现一个空穴 这个空穴很容易吸引邻近的电子来填补 → 相当于不断产生新的空穴(3) 受主杂质与受主能级硼原子容易“接受”电子 → 称为受主原子acceptor杂质能级靠近价带 → 叫受主能级电子从价带跃迁到受主能级 → 留下空穴在价带(4) 载流子情况多数载流子多子空穴数量占绝对优势少数载流子少子电子仍然存在但很少关系空穴浓度 ≫ 电子浓度(5) 名称由来主要靠正电荷Positive载流子空穴导电所以叫P型半导体(6) 导电性增强掺杂越多 → 空穴越多 → 导电性越强同样可通过控制硼的浓度精确调控 总结P型 掺三价元素如B → 多子是空穴 → 受主杂质四、重要物理规律与特性对比1. 载流子浓度乘积定律无论是否掺杂在一定温度下n × p ni² 常数n电子浓度p空穴浓度ni本征载流子浓度仅与材料和温度有关 含义如果电子很多如N型则空穴必然很少如果空穴很多如P型则电子必然很少这是一个此消彼长的关系2. 掺杂浓度的影响类型多子浓度近似等于少子浓度N型施主杂质浓度NDp ≈ ni² / NDP型受主杂质浓度NAn ≈ ni² / NA✅ 掺杂浓度越高多子越多导电性越强3. 温度敏感性差异特性多子浓度少子浓度主要影响因素掺杂浓度温度温度影响很小基本不变非常大指数增长 应用意义多子导电稳定适合做主要电流通道少子对温度敏感是许多器件如晶体管工作的关键但也可能导致热失控五、关键总结一图读懂特性本征半导体N型半导体P型半导体是否纯净是否掺磷等否掺硼等主要载流子电子 空穴电子多子空穴多子次要载流子空穴 电子空穴少子电子少子掺杂类型无五价元素施主三价元素受主导电机制电子空穴以电子为主以空穴为主命名来源intrinsicNegative负Positive正导电性弱温度敏感强可控强可控六、为什么掺杂如此重要大幅提升导电性比本征半导体高几万倍实现导电类型控制可选择电子导电N型或空穴导电P型精确调控性能通过控制掺杂种类、浓度、区域制造出二极管、晶体管、集成电路等复杂器件奠定现代电子学基础PN结 P型 N型 → 一切半导体器件的起点