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【嵌入式原理系列-第11篇】半导体电子传输与PN结工作原理浅析

news 2025/10/8 5:59:04

引言

一、为什么需要半导体

二、半导体基本概念

2.1 漂移运动和扩散运动

2.2 本征半导体和杂质半导体

2.3 热激发与复合

2.4 空穴和载流子

三、电场传播与导体作用

3.1 电场传播速度与电子漂移速度

3.2 电场、电压与库仑力

3.3 半导体的供电能力

四、PN结

4.1 N型半导体和P型半导体

4.2 PN结和内电场

4.3 扩散漂移平衡

4.4 正向导通

4.5 反向截止

4.6 击穿机制

4.7 反向偏置的稳压能力

五、NPN三极管工作模式

六.补充与浓缩

引言

由于笔者大学课程没有模电课程，工作中又会有涉及，自学并记录用于回顾、自勉。

一、为什么需要半导体

如果我们现在需要一个电信号传递材料能制造集成电路，那么这个材料需要满足哪些条件

传递信号时移动的电子少（最好电阻无穷大）
传递能量时电子移动多（最好电阻无穷小）
电阻的切换要足够方便快捷

半导体元件的出现同时解决了上面三个问题。

二、半导体基本概念

在这之前先了解一些基本概念。

2.1 漂移运动和扩散运动

漂移：电子在电场作用下，沿着电场力方向定向移动
扩散：由于粒子浓度梯度，高梯度向低梯度的无规则热运动。

2.2 本征半导体和杂质半导体

本征半导体：纯净的半导体，比如纯硅
杂质半导体：在本征半导体中掺入微量杂质形成

为什么要掺入杂质呢？因为本征半导体结构过于稳定，自由电子太少，导电能力太差。

2.3 热激发与复合

热激发：共价键上的某些电子在外界能量激发后会脱离原来的位置形成自由电子。由于这个激发和温度关系很大，所以称为热激发。
复合：电子占据热激发形成的空位，又回到了共价键的位置。

2.4 空穴和载流子

空穴：电子通过热激发脱离原来的共价键后，原来电子所在位置就称为空穴。一般来说，电路中只有电子能正常移动，且电流的定义就是电子的单位时间通过数量，空穴电流是因为电子的激发和复合看起来像是空穴移动。
载流子：半导体领域所说的载流子就是电子和空穴。半导体电流之和等于空穴电流加上电子电流。空穴为什么能作为载流子，它不是代表空么？众所周知，根据相对论能量和质量是关联的，空穴在实际观察测试中表现的像是一个正电荷，它甚至有质量，绝不是仅仅为空。所以将它称为载流子是没什么毛病的，而且也方便物理模型的建立。

注意！

如果导体靠近负极激发的少复合的多，导体正极激发的多复合的少，就看起来变成空穴从负极移动到正极。

三、电场传播与导体作用

3.1 电场传播速度与电子漂移速度

我们平常所说的电场传播速度接近光速，其实是库仑力的作用速度接近光速（也就是静态电场的建立速度），而不是电子自身的漂移速度。

也就是说如果有一个孤立正电荷存在于空间中，但你放入另外一个电荷，它们之间库仑力的建立以电磁波形式进行，速度等于光速。

电磁波本身（包含交变的电场和磁场）传播不需要任何介质载体。但是电磁波能量需要被引导、传输或转换成电流时，导体中的自由电子就扮演了不可或缺的角色。

当电磁波入射到导体后，会驱动自由电子运动，从而打破原有的静电平衡。这个扰动以及新的电磁场重新分布，会以电磁波的速度在导体及其周围空间重新建立起来。这个过程是电磁场与电荷相互作用的结果。

由于这个相互作用本质上是通过电磁力（库仑力是其在静电场下的表现形式）实现的，因此能量的传递和电场的分布被有效地约束在导体结构（如导线）的周围。这就是为什么我们需要导体来高效地引导和传输电磁能量，而不是任其向所有方向辐射。

最终，导体的各种性质（如电导率、形状）决定了自由电子对入射电磁波的响应效率，即决定了有多少能量被反射、吸收（转换为电流或热能）或传输。

因此，“电场传播速度接近光速”的本质，是指导体结构周围电磁场的建立与更新速度接近光速，这个速度取决于介质的环境，而其理论极限就是真空中的光速。

3.2 电场、电压与库仑力

电场强度是库仑力的矢量和在单位电荷上的体现，电压是电场强度对单位电荷做功的体现。

3.3 半导体的供电能力

相比金属，杂质半导体游离电荷少，理论最大电流比金属导体低上百倍。但即便如此，半导体能提供的理论最大值电流依然达到万A以上。目前半导体提供电流能力主要还是受限于半导体工艺，所以半导体器件依然不能用于驱动大电流负载。

四、PN结

4.1 N型半导体和P型半导体

我们先了解N型半导体和P型半导体。

N型杂质半导体：电子热激发多，但是复合少。电子属于多数载流子，空穴属于少数载流子。
P型杂质半导体：电子热激发少，但是复合多。电子属于少数载流子，空穴属于多数载流子。

当你将N型和P型半导体组合，那么：

N型的多子（电子）向P型扩散，P型的多子（空穴）向N型扩散，两者都会形成电流，即空穴电流和电子电流。两者的矢量和构成了从P到N的电流。

4.2 PN结和内电场

N型和P型多子互相扩散的过程中，中间会形成一块基本没有自由电荷的区域，这个区域称为PN结。这个区域不断扩大，最后形成一个以这个区域为分界线的内电场，这个内电场的电场力方向从N到P，刚好阻碍双方多子的继续扩散。

4.3 扩散漂移平衡

在内电场的作用下，一部分电子形成从P到N的漂移运动，抵消了一部分从N到P的电子的扩散运动。当扩散漂移平衡的时候，宏观上PN结处不再形成电流。

4.4 正向导通

理论上如果我们消除内电场，多子的扩散就能继续进行，即我们可以加一个PN方向的正电压。此外如果电压加的足够大，在抵消内电场的基础上，我们还能促进扩散效果。即正向电压作用：

抵消内电场
促进扩散效果

这个施加外部电压的过程就叫PN结的正向偏置（导通）。正向导通的压降本质上就是克服内在电场。

4.5 反向截止

那如果我们在内电场的方向叠加一个电压呢？即加一个NP方向的正电压。那么效果如下

增强内电场
进一步抑制扩散效果

这个施加外部电压的过程就叫PN结的反向偏置（截止）。

4.6 击穿机制

如果我们在反向截止的时候，不断提供外部施加电压会怎么样？答案是会发生以下两种击穿：

齐纳击穿：齐纳出现在高掺杂的半导体，高掺杂半导体一是游离电荷较多，二是结构间缝隙多，没那么容易出现连锁碰撞反应（齐纳击穿本质上是量子力学领域的隧穿，不过展开了此处）。
雪崩击穿：雪崩击穿出现在低掺杂的半导体，原因和齐纳击穿相反（游离电荷少，结构稳定更易碰撞发生连锁反应）。

齐纳和雪崩击穿的出现和电压以及掺杂浓度都有关，一个半导体是否能在电压递增情况下依次出现这两种击穿与掺杂浓度有关。

另外就是击穿不是元件损坏的原因，热效应才是，雪崩和齐纳击穿都不代表元件会损坏，电流和电压乘积的热效应超过阈值才是损坏原因。

4.7 反向偏置的稳压能力

稳压二极管通过载流子运动自适应削弱外加电场，从电场力角度实现电压稳定，从而达到稳压的效果。所以哪怕PN的正向和反向曲线相似，正向也不具备稳压功能。伏安特性曲线只是结果不是原因！

五、NPN三极管工作模式

NPN三极管工作状态一览表如下：

三极管工作状态	发射结 B-E	集电结 B-C	理论推荐CBE电压	实际工程CBE电压	备注
截止区	反偏（B<E）	反偏（B<C）	C > B B ≈ 0V E = 0V	C ≈ VDD上拉 B ≈ 0V E = 0V	作为开关时，常用于开关关闭状态
放大区	正偏（B>E≈0.6~0.7V）	反偏（B<C）	C > B B ≈ 0.7V E = 0V	C ≈ VCC供电电压 B ≈ 0.7V E = 0V
饱和区（导通）	正偏（B>E≈0.6~0.7V）	正偏（B>C>E）	C ≈ 0.1V ~ 0.3V B ≈ 0.7V E = 0V	C ≈ 接近0V B ≈ 0.7V E = 0V	作为开关时，常用于开关导通状态
反向放大区	反偏（B<E）	正偏（B>C）	C > E B ≈ 0V E = 0V	C ≈ VCC供电电压 B ≈ 0V E = 0V	基本不用