前言
最近看完PN结和三极管的科普视频,有一件事没想通。对于NPN型三极管,工作在放大状态时,发射结正偏,集电结反偏。那么问题来了,集电结反偏时,为什么还会产生集电结->发射结的电流?
为了搞清楚这个问题,在网上查了一些资料,并综合自己的理解写下了这篇博客,以备自己以后查阅,同时分享给有同样疑问的人,如果有理解不到位的地方,欢迎指正。
本征半导体
本征半导体(intrinsic semiconductor)是完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。主要常见代表有硅、锗这两种元素的单晶体结构。
硅原子最外层有4个电子,为了达到最外层8个电子的稳定结构,每个硅原子与相邻的硅原子共享它们最外层的4个电子,组成共价键。处于稳定结构的原子不可自由移动。
本征激发
一般来说,半导体中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强,如果能从外界获得一定的能量(如光照、温升、电磁场激发等),一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为近似自由的电子(同时产生出一个空穴),这就是本征激发。这是一种热学本征激发,所需要的平均能量就是禁带宽度。
本征激发还有其它一些形式。如果是光照使得价电子获得足够的能量、挣脱共价键而成为自由电子,这是光学本征激发(竖直跃迁);这种本征激发所需要的平均能量要大于热学本征激发的能量——禁带宽度。如果是电场加速作用使得价电子受到高能量电子的碰撞、发生电离而成为自由电子,这是碰撞电离本征激发;这种本征激发所需要的平均能量大约为禁带宽度的1.5倍。
价电子通过本征激发成为一个自由电子后形成一个带正电的空位,称为空穴(hole),导带中的电子和价带中的空穴合称为电子-空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动,成为自由载流子(free carrier),它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流,分别称为电子导电和空穴导电。在本征半导体中,这两种载流子的浓度是相等的。随着温度的升高,其浓度基本上是按指数规律增长的。
复合
导带中的电子会落入空穴,使电子-空穴对消失,称为复合(recombination)。复合时产生的能量以电磁辐射(发射光子photon)或晶格热振动(发射声子phonon)的形式释放。在一定温度下,电子-空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡,此时本征半导体具有一定的载流子浓度