硬件基础：半导体和PN结

本文主要是介绍硬件基础：半导体和PN结，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

学模电之前，应该是已经学过基础电路的内容了。

那为什么还要学习模电呢？

因为电路分析中只是学了电路基础部分，主要涉及到的是无源器件，比如电阻电容电感；但是到了模电，就要开始学习有源器件了。

有源器件和无源器件

什么是无源器件和有源器件呢？

简单来说无源器件就是不需要额外电源就能工作的器件；有源器件就是除了连入电路之外，还需要提供额外的电源来进行控制。

“在电子电路中，元器件通常被分为有源器件和无源器件两类。有源器件是指需要外部能量才能正常工作的器件，而无源器件则是指不需要外部能量即可正常工作的器件。”

这里容易产生误解，有源器件和无源器件不都是需要提供电源才能工作吗？为什么还分有源和无源呢？这里不是说不需要电源就能工作，而是说，是否需要额外的能量来提供控制信号，怎么说呢，比如说电阻直接接入电路中，就可以工作了，但是三极管接入电路中，并不能直接就工作的，它需要给基极提供开启电压，给集电极提供反向偏置电压才能工作，所以，是需要提供能量条件的，因此我们称这一类器件为有源器件。

详细可参考这篇文章：有源器件和无源器件的区别

有源器件需要外部能量才能正常工作，而无源器件则不需要。有源器件的特点是能够将信号进行放大、增益等处理，但需要消耗能量才能完成这些操作（比如三极管，就需要发射结正偏，集电结反偏才能工作，放大所需要的能量也就来自于电源）。而无源器件只是起到传递信号、存储能量、过滤信号等作用，不需要能量的支持。

有源器件通常用于信号放大、信号变换、电源调节等需要对信号进行处理的场合，如音频放大器、功率放大器、变频器等。而无源器件则常常用于信号滤波、能量储存、干扰消除等场合，如电源滤波电容、限流电阻等。

在了解有源器件之前，我们需要了解下半导体和PN结，PN结可以说是整个模电的基石。

先从半导体开始……

半导体

半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体是指一种导电性可控，范围从绝缘体到导体之间的材料。

导体和绝缘体，要么导电，要么不导电，所以特性相对固定，而半导体，在某些条件下不导通，在某些条件下可以导通，这样就很适合用来做控制，之所以这样的元器件被称为有源器件，就是因为他们的主要特性需要一些条件才能实现，对比导体和绝缘体，半导体具有更高的灵活性。

这篇文章可参考，较简洁：关于导体、绝缘体、半导体的介绍

如果想要深入了解半导体，可以参考这篇：一文了解半导体相关知识 - 知乎

补充：绝对零度

热力学温度，又称开尔文温标、绝对温标，简称开氏温标，是国际单位制七个基本物理量之一，单位为开尔文，简称开，（符号为K），其描述的是客观世界真实的温度，同时也是制定国际协议温标的基础，是一种标定、量化温度的方法。热力学温度又被称为绝对温度，是热力学和统计物理中的重要参数之一。一般所说的绝对零度指的便是0K，对应零下273.15摄氏度。

热力学温度T与人们惯用的摄氏温度t的关系是：T（K）=273.15+t(℃)。规定热力学温度的单位开（K)与摄氏温度的单位摄氏度（℃)的平均值完全相同。所以 K = ℃。在表示温度差和温度间隔时，用K和用℃的值相同。

以下内容基本参考自：pn结的原理？ - 知乎

本征半导体

不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体，也就是纯净的半导体。

我们常用的半导体材料有：硅（Si），锗（Ge），砷化镓（GaAs），氮化镓（GaN）等；这些材料有一个共同特点：最外层轨道价电子都是4个，这样的结构可以形成特殊的晶体结构（金刚石晶格结构，金刚石也是一种半导体材料），一个原子同周边的原子形成稳固的共价键结构，每个原子周边达到8个满电子状态。

比如硅材料的原子结构：

本征半导体不含杂质的纯半导体，其电子很难从共价键中逃脱出来，以至于在绝对零度条件下完全不能导电。但是在室温环境下，会有少量电子会从共价键中脱离出来形成“自由电子”，而该共价键由于少了一个电子会形成了“空穴”。

——这些“自由电子”和“空穴”在半导体中就称之为载流子，正是由于载流子的存在，所以本征半导体才有了“半”导电性；载流子浓度的多少，决定了材料的导电性能。

本征半导体中，电子和空穴是成对出现的。

本征半导体在不同温度下其稳态“电子/空穴”浓度也不同，随温度（粒子热运动剧烈程度）的增加，“电子/空穴”稳态浓度也会相应增加；需要说明的是“电子/空穴”稳态浓度是一个动态的平衡：电子不断脱离共价键成为“自由电子”，同时“自由电子”又不断被共价键“空穴”捕获；所以我们又不得不引出两个重要概念：本征激发和复合；本征激发和复合的过程伴随着能量的变化。

本征激发：由于受到光照或温度上升影响，少数共价键中价电子积累能量挣脱原子核束缚而成为“自由电子”的现象；

复合：“自由电子”跃迁至共价键空穴中，与空穴结合的过程；该过程会伴随能量的释放。

P型N型半导体

本征半导体 “自由电子”数量非常非常少，以至于其导电性能非常之差；但这并不是重点，重点是：本征半导体与导体/绝缘体只是导电性能好坏的差别，我想要获得特定阻抗的材料，干嘛非得用半导体呢？所以在1833年英国的巴拉迪就发现了半导体，但它一直没有被实际应用。

不过我们要让半导体变的有用，首先得提升它的的导电性能：掺入特定杂质，让它成为杂质半导体；有两个方法来提升半导体的导电性能，从导电性能角度来说效果是完全一样的。

N型半导体：掺入5价杂质元素（磷、砷）的半导体；5价杂质原子与4价硅原子结合成共价键（8个电子），那必然会多余1个“电子”无共价键束缚，形成“自由电子”，而杂质原子因带正电荷成为正离子；

1, N：Negtive，表示半导体中多数载流子是“自由电子”，带负电；

2, 5价杂质元素称为施主杂质，施与它人电子。

P型半导体：参入3价杂质元素（硼、镓）的半导体；3价杂质原子与4价硅原子结合成共价键（需要8个电子），缺了1个价电子，在共价键中留下1个空穴；空穴很容易捕获电子使杂质原子成为负离子；

1, P：Positive，表示半导体中多数载流子是“空穴”，带正电；

2, 3价杂质元素称为受主杂质，接受它人给与的电子。

上面有两句话非常重要。

N型半导体中杂质原子因带正电荷成为正离子，杂质元素因为失去了一个电子，所以带了正电，成为正离子；

P型半导体中空穴很容易捕获电子使杂质原子成为负离子，杂质原子因为空穴容易获得电子，所以带了负电，成为负离子；

这就是耗尽区（空间电荷区）能够形成的根本原因。

不过P型和N型整体都是不带电的。

本征半导体本身不带电，添加的杂质本身也不带电，混合在一起，也不可能会带电，比如N型半导体中虽然有很多自由电子，但是杂质的一个电子没了，使得它本身带了正电荷，和自由电子的负电荷是一一对应的。

多子和少子

N型半导体掺入非常多的“自由电子”，那N型半导体中还存在空穴么？ ——当然是有的，因为只要温度高于绝对零度，半导体的本征激发和复合就不会停止，不断产生电子-空穴对，虽然N型半导体将空穴数量“压制”的更少了，但空穴还是不断在动态的激发和复合着。在N型半导体中自由电子称为：多数载流子（简称多子），那么空穴就被称为：少数载流子（简称少子）。同理P型半导体也一样，在P型半导体中空穴称为：多数载流子（简称多子），那么自由电子就被称为：少数载流子（简称少子）。

要注意：多子和少子不是分别存在于P型半导体上和N型半导体上的，而是P型半导体上有多子和少子，N型半导体上也有多子和少子，不同的是，P型半导体上空穴是多子，自由电子是少子，而在N型半导体上，自由电子是多子，空穴是少子。

杂质半导体的多数载流子浓度有多少呢？ ——一般典型硅二极管中等掺杂 N的“自由电子”（多子）浓度是：10¹⁶ cm⁻³，空穴（少子）浓度是：10⁴ cm⁻³；两者相差12个数量级，即：多子数量占比99.99999999%，少子占比0.00000001%；所以多子应该被理解为“极多子”，少子应被理解为“极少子”。掺杂后由于多子浓度的急剧增加，电阻率减小到约为1Ω·cm，考虑芯片中N区的尺寸非常小，所以其电阻值是非常小的。

不管是P型还是N型，多子是通过添加杂质加本征激发形成的，少子都是通过本征激发形成的。

PN结

如果将P型半导体和N型半导体组合起来，就会发生一个神奇的变化：形成一个PN结，即变成一个单向导通的器件（不可控开关）。固定不变的东西对“信息”没有任何用处，而“开关”就能实现0和1的变化，是信息产生、存储、处理的基本单元，所以我们可以利用半导体在非常小的尺寸上实现开关功能，这样半导体就变的非常有用了。其实绝大多数半导体器件最基本的结构就是PN结，理解了它，就可以理解半导体器件的工作原理和基本特性。

将N型半导体和P型半导体结合在一起，由于两者的电子和空穴浓度不同，便会相互扩散，在交界处形成一个面，称之为PN结。PN结会产生内电场，阻止电子和空穴继续扩散，最终达到平衡。当受到一个由P指向N的外部电场力时，内部电场力削弱，形成电流。反之，当受到一个由N指向P的外部电场力时，内部电场力增强，阻止内部电子扩散。这个便是PN结单相导通的特性。
具体细节如下：

如下图所示，PN结形成于P型和N型半导体的交界处：N区的多子（自由电子）向 P区扩散，P区的多子（空穴）向N区扩散。N区由于失去了“自由电子”剩下带正电离子而呈现正电，而P区由于失去了“空穴”（本质上是获得电子）剩下带负电离子呈现负电，而此时PN结附近区域的自由电子和空穴全部复合，只剩下了不能移动的带电离子，这一区域被称为空间电荷区也称为势垒区或耗尽区。而空间电荷区内会形成一个内建电场，其方向是由N区（带正电）指向P区（带负电）。

PN结产生的内电场，会阻止电子和空穴继续扩散，最终达到平衡。

内建电场就是由于多子扩散形成的。就是因为它的形成阻碍了多子进一步扩散才使得这个电场能够稳定下来。自然界中广泛存在的负反馈现象。

复合得越多，内电场越强，越阻止多子扩散。因为内电场是从N区指向P区，而电子是逆着电场方向前进的，如果是顺着电场方向就很难。

我们从空穴的移动来说，空穴顺着电场方向很容易移动，但是逆着电场方向就很难。

再捋一遍：

内电场形成主要是靠扩散运动。

N区电子向P区运动，而P区空穴向N区运动。

结果出现：

N区：来自P区的空穴与原有电子发生复合，N区的原子因为失去了电子的原子成为正离子。

P区：来自N区的电子与原有空穴发生复合，P区原子因为多获得了一个电子（来自N区）而成为负离子。

这样就在两区交界面上形成了一个耗尽层（也就是空间电荷区），这个层中，载流子的数目急剧减少，而剩下的正、负离子受物质结构影响并不移动。由于正离子主要在N区，而负离子主要在P区，这样就相当于形成了一个内电场。N区附近以正电荷为主，P区附近带负电荷。电场方向从N指向P。P区的多子带正电，学过高中物理，一个正电荷在电场中想要跑到电场正极这边（也就是逆着电场力方向运动），是需要耗费能量的。因此随着扩散运动继续，空间电荷区会越宽，电场越强，同时空穴想要跑到N区的难度也越大，扩散运动也越弱。电子也有类似情况。同时电场形成后，N区的少子在电场力作用下还会发生漂移运动（漂向P区），电场越强，漂移运动越明显。最终漂移运动与扩散运动达到一个平衡状态。此时PN结也就稳定了。

PN结的单向导通特性

正是由于内建电场的存在，PN结呈现单向导通特性，工作原理如下：

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当在PN区加正偏电压：外电场方向与内建电场方向相反，内建电场强度减小，空间电荷区范围减小，驱使N区的多子（自由电子）和P区的多子（空穴）进入空间电场区，两者在空间电荷区进行复合，甚至N区的自由电子和P区的空穴扩散到对方区域，从而在P->N方向导通电流：一旦PN结打通后，正向电流随着正向电压指数级增加。

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当在PN区加反偏电压：外电场方向与内建电场方向相同形成叠加效果，内建电场强度增加，导致空间电荷区范围增大； ——我们再来理解一遍：P区加负电，N区加正电，那么P区的“空穴”向P区电极端（左侧）移动，N区的“自由电子”向N区电极端（右侧）移动，导致中间的空间电荷区范围增加。与此同时：P区的少子（自由电子）和N区的少子（空穴），受到N->P电场方向移动，形成PN结的反向漏电流。

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当PN区反向电压继续增加：空间电荷区内电场强度不断增加，以至于将空间电荷区共价键电子大量强拉出变成自由电子，形成较大反向电流，称为齐纳击穿。

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随着PN区反向电压再增加：从共价键中强拉出来自由电子的能量也不断增加，超大能量的“自由电子”轰击半导体其它共价键中电子，产生更多的“自由电子”，这些“自由电子”接着再轰击其它共价键中电子，形成雪崩效应，造成超大反向电流，称为雪崩击穿。