半导体和二极管 @ Wings            分类 电子
发布于 星期四, 十二月 17 日, 2020 年
更新于 星期二, 七月 20 日, 2021 年

本来想开个系列为电赛笔试做准备的, 之后发现我除了二极管, 其他什么也看不懂.

于是这个系列就咕了, 天晓得我什么时候会填坑. (二极管也没写完)

半导体

半导体的导电性介于导体和绝缘体之间, 且对温度敏感. 半导体材料一般为四价元素 —— 既不容易得电子, 也不容易失电子.

  1. 本征半导体: 纯净的晶体结构的半导体
  2. 杂质半导体: 掺有杂质原子的半导体

本征半导体

晶体结构

+4价的(相同)原子通过共价键形成晶体网状结构. 其中, 一个原子的价电子都与其他原子的价电子形成共价键.

电流以及载流子

给予外界能量(如热能)时, 价电子挣脱共价键的束缚, 成为自由电子, 并且它原来所在的位置"空了", 这个位置成为"空穴". 空穴带正电. 若此时外加一个电场, 那么一方面自由电子会定向移动, 另一方面, 价电子会按照一定的次序填补空穴, 相当于空穴定向移动(与自由电子反向).

注意, 半导体的电流为自由电子的电流与空穴的电流之和.

运载电荷的粒子称为载流子, 即自由电子和空穴称为载流子.

载流子浓度

复合: 自由电子与空穴相遇, 自由电子填补空穴, 二者消失

在一定温度下, 本征激发所产生的自由电子与空穴对$(e, h)$, 与复合的对$(e', h')$数量相等, 达到动态平衡.

也就是说, 载流子不是静态的, 而是动态的. 在本征半导体中, 有一些电子被激发成为自由电子, 同时产生对应数量的空穴; 而这些自由电子又会与空穴复合. 两种状态同时存在, 并且"速率"相等, 故达到动态平衡.

所以, 在一定的温度下, 本征半导体中载流子浓度是个定值. 温度越高, 浓度越大, 导电性越强. 这很好理解, 因为温度高, 价电子获得的能量高, 挣脱共价键成为自由电子的价电子更多, 导电性越强.

杂质半导体

N型(negative)

掺入五价元素(如P)的Si(或Ge)晶体. P多了一个价电子, 成为自由电子. 自由电子比空穴多, 称多子; 空穴称少子. 杂质原子提供电子, 称施主原子. 掺入的杂质越多, 导电性越强.

P型(positive)

参入三价元素(如B)的晶体. B少了一个价电子, 多了一个空穴. 空穴称多子, 自由电子称少子. 杂质原子接受电子, 称受主原子. 掺杂越多, 导电性越强.

多子浓度约等于杂质浓度, 温度对其影响较小. 少子由热运动产生, 对温度敏感.

PN结

结构

形成

扩散运动使得P中的空穴向N移动, N中的自由电子向P中移动. 在交界处复合, 形成了空间电荷区, 也称耗尽层.

空间电荷区具有电场, 载流子在电场力的作用下将会运动, 称为漂移运动. 相同载流子的漂移运动方向与扩散运动方向相反.

少子漂移, 多子扩散, 当其"速率"相等时, 达到动态平衡. 此时空间电荷区具有一定的宽度, 正负电荷电量相等, 电流为0.

单向导电

外加向正电压导通:

正向电压使得扩散加剧, 漂移减弱, 耗尽层变窄. 由于电源作用, 扩散运动不断进行, 产生正向电流, PN结导通.

外加反向电压截止:

反向电压阻止扩散运动, 加剧漂移运动, 耗尽层变宽. 同时产生反向电流(漂移电流), 由于少子数目极少, 反向电流极小, 可忽略, 认为PN结截止.

反向电压如过超过$U_{BR}$, 会导致价电子脱离共价键, 成为自由电子, 反向电流急剧增加, 损坏PN结.

伏安曲线

电容效应

(不会, 先咕)

二极管

二极管就是带壳子和导线的PN结

伏安曲线

温度升高时, 开启电压减小, 反向击穿电压(绝对值)减小, 电流增大. 用温度增强扩散运动即可很好地理解.

两种材料

Si的正向导通电压一般取$0.7v$, Ge的一般取$0.3v$

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个人简介

我叫 Wings, 来自江西上饶, 目前人在西安, 是西电的一名学生.

常以 WingsWingsZengWingsWings的ID在各大小网站上游走, 一般来说, Wings不是我 😔, WingsZeng 一定是我 😊.

热爱算法, 喜欢钻研各种计算机技术.

业余爱好广泛, 只要不是文化课基本上都感兴趣😏.

开发/项目经历

  1. Android游戏 小墨滴的复仇 (弃坑)
  2. Android游戏 Circle Run (弃坑)
  3. Windows游戏 Snague (可能弃坑了吧)
  4. Python后端 Fathy' (可能弃坑了吧)

to be continued

教育经历

时间 学历 学校
2008-2014 小学 上饶市第十二小学
2014-2017 初中 上饶市第四中学
2017-2020 高中 上饶市第一中学
2020-2024 本科 西安电子科技大学
to be continued

比赛/竞赛经历

太久远太小的记不到了…

  1. 2017 国学竞赛初赛江西 没有分数或排名 二乙
  2. 2018 NOIP提高 258 省二
  3. 2019 CSP-S江西专场 145 省二
  4. 2019 数学竞赛初赛 70 没排名 (复赛打铁qaq)
  5. 2020 Gitee|Python贪吃蛇魔改大赛 可能是第四? 二等奖
  6. 2020 西电ACM训练基地熊猫杯 第四 银牌
  7. 2020 西安三校微软学生俱乐部Hackathon 和二等奖最后一名差0.5分 三等奖
  8. 2020 西电星火杯 三等奖
  9. 2020 西电ACM新生赛 第九 金牌
  10. 2020 ICPC 亚洲区域赛 济南站 132名 铜牌
  11. 2020-2021 第二届全国大学生算法设计与编程挑战赛(冬季赛) 924名 铜牌 (别骂了别骂了)
  12. 2020 ICPC 亚洲区域赛 昆明站 打星
  13. 2020 ICPC Asia-East Continent Final 签完到溜 打铁
  14. 西电"智能星"第一届自动驾驶小车比赛 第五 优胜奖|极速奖 本来可以冠军的别骂了别骂了

to be continued

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