半导体的原理动画演示,半导体组成部分图解

首页 > 经验 > 作者:YD1662022-11-01 22:40:58

半导体材料:半导体是导电能力介于半导体和绝缘体之间的一类物质。如硅、锗、碳化硅和氮化镓等。电阻率在1mΩ·cm~1GΩ·cm范围内。

半导体结构:

电子器件中大都使用硅和锗,具有晶体结构。晶体结构的意思就是能找到一个基本结构单元,整个物质都是按照整个基本结构单元排开的,譬如中学学的金刚石的结构。下图是硅晶体的基本结构单元。硅是正4价元素,每个硅原子间是2个电子组成的共价键连接。

半导体的原理动画演示,半导体组成部分图解(1)

硅晶体基本结构图

本征半导体:

本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在电子应用中,电导率(电阻率的倒数)是半导体的重要物理特性,而电导率与材料的单位体积中所含的电荷载流子(能够自由运动并产生电流的物质)的数目呈正相关。

本征半导体晶体共价键通常情况下是稳定的,没有自由移动的电子,但是当温度、光照、磁场强度达到一定强度就会使得共价键的电子挣脱束缚,成为自由电子。这一现象称为本征激发。这就可以解释半导体器件特性为什么会受到环境参数的影响了。

参杂半导体:

若在本征半导体中掺入微量的杂质,其导电性能便会发生很大的变化。根据掺入杂质的不同,可以把掺杂半导体分为P(Positive)型和N(Negative)型。P型的意思就是半导体的多数载流子带正电,N型反之。

具体可以这么去理解,若在4价的硅中掺入3价的硼,硼跟硅组成的共价键便会少一个电子,相当于空了一个位置出来,那么少量自由电子在大量的空穴上穿梭,反过来可以看成是大量的空穴在移动,那就呈现正电特性(P型,实际半导体整体还是中性的)。若在4价的硅中掺入5价的磷,共价键组合完后还多一个电子,那么就是大量自由电子在少量空穴中穿梭,那就呈现负电特性(N型,实际半导体整体还是中性的)。下图是简化模型。

半导体的原理动画演示,半导体组成部分图解(2)

掺杂半导体导电简化模型图

PN结的形成:

想象一下,如果将上面模型图中的P型半导体和N型半导体合并,那么在交界处,就会存在自由电子的浓度差,有浓度差便会产生扩散现象,即N区的自由电子向P区扩散来填补P区的空穴,这就导致N型和P型半导体失去了电中性,N型半导体失去电子带正电,P区得到电子带负电,这样就形成了电场,电场由高电势指向低电势,那么电场方向就是由N区指向P区。这个叫内电场。

那么再深入的想一下,随着扩散现象的持续,这个内电场不断加强,电场由N指向P,电子由N扩散到P,电子的运动方向居然与电场方向相同!这说明每扩散一颗电子过去就会加强电场阻止扩散的发生,但又因为少量电子漂移(电场力让P区的电子又往N区跑)现象的存在,当漂移等于扩散时会达到一个动态平衡。这个最终平衡下来的电荷区就是PN结了。

PN结单向导电性:

想让PN结导通,本质上来说就是要让大量电子在PN结间穿梭,已知自由电子都在N区,那就是需要加强扩散,而内电场是阻止电子扩散的,那么只需要破坏了这个内电场就能够导通了,内电场是由N指向P的,只需要在外部施加一个P指向N的电场就能破坏内电场平衡,顺便的,这里就解释为什么二极管有一个0.7V的正向导通死区电压了。

那么反过来,如果在外部施加一个由N区指向P区的电压,这就加强了内电场,使得扩散进一步的减少,加强了漂移,而漂移的电子非常少,毕竟P区空穴是多数载流子,我想这就是二极管的反向漏电流了。

PN结单反向击穿:

接着上面说,在反向施压的情况下,PN结不导通,如果电压一直增加,内电场一直被加强会有什么现象呢?内电场被加强,扩散较少,漂移增加,电子漂移的速度也增加,这就会导致电子被加速到一定程度后撞击共价键,在强电场和强撞击下,共价键被破坏,破坏了共价键就会产生更多的自由电子,并且撞击会产生热量(二极管反向击穿发烫的原因之一),热又会加强本征激发,结果就是击穿后电流突增,PN结发热,长时间会烧毁PN结。

PN结电容效应:

PN结的电容效应对高频信号的影响很大,根据电容的定义:电容器所带电量Q与电容器两极间的电压U的比值,叫电容器的电容,即C=Q/U。在PN结两块平板间有电压和电荷的变化,这便决定着PN结的电容。所以高速二极管的PN结都是比较薄的,这样内电场的建立和破坏就很快,就会有很快的开关速度,但是往往不能过大电流和承受高电压。

半导体器件:

二极管、三极管、MO管、晶闸管。都是由PN结构成的,掌握PN结的基本原理,就很容易理解其他半导体器件的特性。

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