结束了《阻容感基础》和《信号完整性基础》两个专题的知识分享，真是非常开心，因为这给后续所有的专题打下了一个坚实的基础；啥？早已经忘记了么？不过也莫有关系的，我也忘的差不多了。我接下来将要进入《半导体器件基础》专题的知识分享。虽然在硬件设计应用中，我们将阻、容、感、二极管、三极管、MOS管、光耦等归类为分立元件或则称为无源器件，但二极管、三极管、MOS管是基于半导体材料的器件，在工作原理上与阻、容、感完全不同。我们前面已对阻容感的定义重复过很多次，知道了阻容感是基于电磁力所固有的，我们所创造的只是这个器件实体，而不是阻容感的特性。但半导体器件的正向导通反向截止（PN结）的特性是人为所创造的，而这个特性是所有半导体器件的基础，这将又是一个全新的开始。

基于麦克斯韦大师的理论，我们可以理解阻容感以及由阻容感为基本单元构成的信号完整性、电源完整性理论，但到了半导体器件，就会显得非常吃力了。我们在《从宇宙起源到阻容感》中讲到：麦克斯韦方程组是经典电磁理论的集大成者，是对电磁力的完美解析。但非常不幸的是，“半导体物理学”超出了经典电磁理论的范围，我们需要与时俱进的进入到了：量子力学领域。所以半导体器件的很多现象已不是经典电磁理论所能解释，需要用到“玄学”级别的量子力学（遇事不决，量子力学）。

那么作为硬件工程师只是使用器件，不去管器件基本单元的工作原理可以么？当然可以，如果我们只是想做一个“硬件积木工程师”：根据硬件设计流程做好自己的本职，如果出了问题就推脱不是自己的职责范围，可以完全不去管“积木”的特性和材质。

从我的角度来看，理解器件所表现出来特性的内在原因，以及不同工艺、类型器件导致不同表现的原因，是非常有必要的。我们可以根据不同的应用需求能够选择合适的器件，而且针对不同器件在不同应用下的表现有正确的预期。

针对半导体理论基础：半导体和PN结，如果只讲最浅层的知识，就不能理解半导体器件（二极管/三极管/MOSFET/晶闸管/IGBT等）的很多参数特性，但只讲“半导体材料”相关知识对于硬件工程师来说理解起来过于艰深；这次我们将由浅入深分三个层次来看半导体和PN结。这部分内容是半导体器件知识的核心与基础，只有真正理解了PN结的工作原理，才能更好的理解二极管、三极管、MOS管，IGBT以及由这些基本元件构成的大规模集成芯片。

半导体最近几年在国内大火，其知名度跨越了行业的鸿沟，它事实上已成为了芯片的代名词。那到底啥是半导体呢？

“半导体” = 导体的一半？我们就从名字上进行理解：顾名思义，是常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。不错，它指的就是一种材料，属于“固体材料”中的一种。

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。

1，本征半导体

普通半导体是不能成为制作芯片原材料的，我们需要非常非常非常高纯度（99.9999999%，9个9；24k金是99.99%纯度，在半导体材料的纯度面前只能说是杂质太多）的单晶半导体：本征半导体。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。

1. 本征激发：如左下图所示，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；

2. 复合：如右下图所示，“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。

2， P型N型半导体

然而本征半导体这玩意对我们来说感觉并没啥鸟用：本征半导体 “自由电子”数量非常非常少（硅电子/空穴浓度：10¹⁰ cm⁻³，体电阻率约为10⁶Ω·cm），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。

1. 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。

2. 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。

我们通过在本征半导体中掺入不同的杂质，完美的得到了P/N型杂质半导体；那首先需要理清楚P（N）型型半导体的几个问题：

1. 杂质半导体，举个栗子：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。

2. 那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。

3. 杂质半导体，例如N型半导体有很多“自由电子”，它是否带负电？

——不带电；因为“自由电子”虽然带负电，但由于杂质原子失去了电子而带正电；而本征激发和复合由于是成对出现的，整体呈现不带电；好比金属导体，它虽然有非常多的“自由电子”，但金属本身在自然状态下是不带电的。同理P型半导体也一样。

4. 杂质半导体，举个栗子：N型半导体的“自由电子”（多子）和“空穴”（少子）浓度受什么影响？

——浓度会受到掺杂浓度和温度影响：

1, N型半导体的“自由电子”浓度主要来源于掺入杂质比例的多少，如果掺杂浓度大那么“自由电子”浓度就大；而“空穴”的浓度也与掺杂浓度相关，由于掺杂浓度大导致“自由电子”浓度增加，从而“空穴”被复合的概率更高，浓度就相应减小了；

2, “自由电子”和“空穴”浓度与温度相关，温度升高则激发的程度更加剧烈，导致“自由电子”和“空穴”浓度都增加；虽然“自由电子”浓度的增加对于N型半导体来说影响不大，但“空穴”浓度增加对于N半导体来说就有明显的作用。同理P型半导体也是一样。

解答了这几个问题，不知道大家对PN型半导体是否认识更深了一点点呢，如果都理解清楚了，那我们再接下去看。

3，PN结

我相信大家对杂质半导体的特性已有了基本认知，接下来是本章的核心问题：为什么非得有P型N型两种半导体，并结合成PN结才能用？

我们知道单纯的PN型半导体的掺杂浓度越高，那么其导电性能就越好，但导电性能好有毛用啊？如果只是提升其导电性能，需要先提纯半导体至9个9纯度，再掺入杂质，这完全是得不偿失；还不如直接使用金属来的便宜和方便。

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。

——“开关”才是信息或数据的关键，如果需要传递/存储/处理信息，那么必须要有变化才行；你品，再细品。

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”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）。

——空间电荷区的名字非常多，各种不同的资料上的叫法也各不相同，但指的都是同一个东西。

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：

1. 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。

2. 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结的反向电流。

3. 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。

4. 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。

我们从上述的4种情况初步学习并理解了PN结的基本特性；针对PN结本身，我们同样需要再深入思考如下的几个问题：

1. PN结有一个内建电场，那它对外带电么？

——如同杂质半导体不带电原理一样，虽然PN结由于多子的扩散形成了内建电场，但作为整体：正离子数量=自由电子数量；所以是不带电的。

2. PN结内电场强度很大么，如何能形成击穿？

——非常大，按内建电势约0.7伏，落在约3微米的势垒区上，内建电场的平均值为约2*10⁵V/m；正是由于有巨大的电场强度，才能将共价键中电子强拉出来变成自由电子，同时也使得PN结非常的牢固。

——那么内建电场大小为2*10⁵V/m算是什么级别？举个栗子：若电场为2.5V/m，铜导线融化；11V/m时，铜导线气化。