基础电子学 - 半导体

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半导体是一种电阻率介于导体和绝缘体之间的物质。电阻率特性并非决定一种物质是否为半导体的唯一因素，它还具有以下一些特性。

• 半导体的电阻率小于绝缘体，大于导体。

• 半导体具有负温度系数。半导体的电阻随温度降低而增加，反之亦然。

• 当向半导体中添加合适的金属杂质时，其导电特性会发生变化，这是一个非常重要的特性。

半导体器件广泛应用于电子领域。晶体管已经取代了笨重的真空管，从而降低了器件的尺寸和成本，这一革命不断加速，导致了集成电子等新发明。下图显示了半导体的分类。

半导体的导电性

了解电子后，我们知道最外层电子壳层有价电子，它们与原子核的结合比较松散。当具有价电子的原子靠近另一个原子时，这两个原子的价电子结合形成“电子对”。这种键合并不很强，因此它是一种共价键。

例如，锗原子有32个电子。第一轨道上有2个电子，第二轨道上有8个电子，第三轨道上有18个电子，而最后一轨道上有4个电子。这4个电子是锗原子的价电子。这些电子倾向于与相邻原子的价电子结合，形成电子对，如下图所示。

空穴的产生

由于晶体吸收的热能，一些电子倾向于离开其位置并破坏共价键。这些断裂的共价键导致自由电子随机游动。但是，移走的电子会在后面留下一个空位或价电子空位，这被称为空穴。

这个空穴代表一个缺失的电子，可以看作是一个单位正电荷，而电子则被认为是一个单位负电荷。释放的电子随机移动，但是当施加外部电场时，这些电子会沿与电场相反的方向移动。但是，由于电子缺失而产生的空穴会沿电场方向移动。

空穴电流

我们已经了解到，当共价键断裂时，就会产生空穴。实际上，半导体晶体有很强的形成共价键的趋势。因此，空穴不倾向于存在于晶体中。这可以通过下图更好地理解，该图显示了半导体晶体晶格。

当电子从A处移动时，就会形成一个空穴。由于形成共价键的趋势，B处的电子会移动到A处。现在，为了平衡B处的共价键，C处的电子会移动到B处。这会继续形成一条路径。空穴在没有外加电场的情况下移动是随机的。但是当施加电场时，空穴会沿电场方向漂移，构成空穴电流。这被称为空穴电流，而不是电子电流，因为空穴的移动导致电流流动。

电子和空穴在随机运动中可能会相遇，形成电子-空穴对。这种复合会释放热量，从而破坏另一个共价键。当温度升高时，电子和空穴的产生速率增加，因此复合速率增加，导致电子和空穴的密度增加。结果，半导体的电导率增加，电阻率降低，这意味着负温度系数。

本征半导体

处于极其纯净状态的半导体被称为本征半导体。这种纯半导体的特性如下：

• 电子和空穴完全由热激发产生。
• 自由电子的数量等于空穴的数量。
• 在室温下的导电能力较小。

为了提高本征半导体的导电能力，最好添加一些杂质。这种添加杂质的过程称为掺杂。现在，这种掺杂的本征半导体被称为外延半导体。

掺杂

向半导体材料中添加杂质的过程称为掺杂。添加的杂质通常是五价和三价杂质。

五价杂质

• 五价杂质是指在外层轨道上有五个价电子的杂质。例如：铋、锑、砷、磷

• 五价原子被称为施主原子，因为它向纯半导体原子的导带提供一个电子。

三价杂质

• 三价杂质是指在外层轨道上有三个价电子的杂质。例如：镓、铟、铝、硼

• 三价原子被称为受主原子，因为它从半导体原子接受一个电子。

外延半导体

通过掺杂纯半导体形成的杂质半导体称为外延半导体。根据添加的杂质类型，外延半导体有两种类型：N型外延半导体和P型外延半导体。

N型外延半导体

向纯半导体中添加少量五价杂质即可得到N型外延半导体。添加的杂质有5个价电子。

例如，如果将砷原子添加到锗原子中，四个价电子与Ge原子结合，而一个电子则作为自由电子存在。如下图所示。

所有这些自由电子构成电子电流。因此，当杂质添加到纯半导体中时，它会提供用于导电的电子。

• 在N型外延半导体中，由于导电是通过电子进行的，因此电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

• 由于没有添加正电荷或负电荷，因此电子电中性。

• 当向添加了五价杂质的N型半导体施加电场时，自由电子会向正极移动。这被称为负型或N型导电性。

P型外延半导体

向纯半导体中添加少量三价杂质即可得到P型外延半导体。添加的杂质有3个价电子。例如，如果将硼原子添加到锗原子中，三个价电子与Ge原子结合，形成三个共价键。但是，锗中的另一个电子没有形成任何键。由于硼中没有剩余电子形成共价键，因此该空间被视为空穴。如下图所示。

少量添加的硼杂质会提供许多有助于导电的空穴。所有这些空穴构成空穴电流。

• 在P型外延半导体中，由于导电是通过空穴进行的，因此空穴是多数载流子，电子是少数载流子。

• 此处添加的杂质提供空穴，这些空穴被称为受主，因为它们从锗原子接受电子。

• 由于可移动空穴的数量等于受主原子的数量，因此P型半导体保持电中性。

• 当向添加了三价杂质的P型半导体施加电场时，空穴会向负极移动，但速度比电子慢。这被称为P型导电性。

• 在这种P型导电性中，价电子从一个共价键移动到另一个共价键，这与N型不同。

为什么硅在半导体中更受欢迎？

在锗和硅等半导体材料中，广泛用于制造各种电子元件的材料是硅(Si)。硅优于锗的原因有很多，例如：

• 能带隙为0.7ev，而锗为0.2ev。

• 热激发产生的电子-空穴对较少。

• 硅易于形成SiO2层，这有助于制造许多元件以及集成技术。

• 硅在自然界中比锗更容易找到。

• 由硅制成的元件的噪声比锗制成的元件小。

因此，硅被用于制造许多电子元件，这些元件被用于制造用于各种用途的不同电路。这些元件具有各自的特性和特定的用途。

主要的电子元件包括——电阻器、可变电阻器、电容器、可变电容器、电感器、二极管、隧道二极管、变容二极管、晶体管、BJT、UJT、FET、MOSFET、光敏电阻、LED、太阳能电池、热敏电阻、压敏电阻、变压器、开关、继电器等。