基础电子学 - 半导体

半导体是一种电阻率介于导体和绝缘体之间的物质。电阻率并不是决定材料是否为半导体的唯一因素，但它还具有以下几个特性。

• 半导体的电阻率小于绝缘体但大于导体。

• 半导体具有负温度系数。半导体中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，半导体的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。晶体管取代了笨重的真空管，从而降低了器件的尺寸和成本，这场革命不断加快步伐，催生了集成电子等新发明。下图显示了半导体的分类。

半导体中的传导

在了解了一些电子知识后，我们知道最外层电子壳层有价电子，它们与原子核松散地连接在一起。当一个原子靠近另一个原子时，其价电子会结合形成"电子对"。这种键合不是很强，因此是共价键。

例如，锗原子有 32 个电子。第一轨道有 2 个电子，第二轨道有 8 个电子，第三轨道有 18 个电子，而最后轨道有 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

由于提供给晶体的热能，一些电子倾向于移出它们的位置并破坏共价键。这些破坏的共价键导致自由电子随机游走。但是移走的电子会在后面产生一个空隙或价电子，这被称为空穴。

这个代表缺失电子的空穴可以被视为单位正电荷，而电子被视为单位负电荷。释放的电子随机移动，但当施加一些外部电场时，这些电子会朝与施加场相反的方向移动。但由于没有电子而产生的空穴则朝施加场的方向移动。

空穴电流

我们已经知道，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，晶体中往往不存在空穴。下图显示了半导体晶格，可以更好地理解这一点。

当电子从 A 位置移动时，就会形成空穴。由于形成共价键的趋势，电子从 B 移动到 A。现在，为了平衡 B 处的共价键，电子从 C 移动到 B。这继续构建一条路径。在没有施加电场的情况下，空穴的这种运动是随机的。但是当施加电场时，空穴会沿着施加的电场漂移，这构成了空穴电流。这被称为空穴电流而不是电子电流，因为空穴的运动有助于电流流动。

电子和空穴在随机运动时可能会相互相遇，形成对。这种复合会导致热量的释放，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，这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

极纯形式的半导体被称为本征半导体。这种纯半导体的特性如下 −

• 电子和空穴仅由热激发产生。
• 自由电子的数量等于空穴的数量。
• 室温下导电能力较小。

为了增加本征半导体的导电能力，最好添加一些杂质。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非本征半导体。

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

• 五价杂质是在最外层轨道上具有五个价电子的杂质。例如：铋、锑、砷、磷

• 五价原子被称为供体原子，因为它向纯半导体原子的导带捐赠一个电子。

三价杂质

• 三价杂质是在最外层轨道上具有三个价电子的杂质。例如：镓、铟、铝、硼

• 三价原子被称为受体原子，因为它从半导体原子接受一个电子。

非本征半导体

通过掺杂纯半导体形成的不纯半导体被称为非本征半导体。根据添加的杂质类型，非本征半导体有两种类型。它们是 N 型非本征半导体和 P 型非本征半导体。

N 型非本征半导体

在纯半导体中添加少量五价杂质可形成 N 型非本征半导体。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，则四个价电子会附着在锗原子上，而一个电子仍为自由电子。如下图所示。

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

• 在 N 型非本征半导体中，由于导电是通过电子进行的，因此电子是多数载流子，而空穴是少数载流子。

• 由于没有添加正电荷或负电荷，因此电子是电中性的。

• 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。这称为负或 N 型导电性。

P 型非本征半导体

在纯半导体中添加少量三价杂质可形成 P 型非本征半导体。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，则三个价电子会与锗原子连接，形成三个共价键。但是，锗中还有一个电子未形成任何键。由于硼中没有剩余的电子形成共价键，因此该空间被视为空穴。如下图所示。

少量添加硼杂质时，会提供大量有助于导电的空穴。所有这些空穴都构成了空穴电流。

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

• 这里添加的杂质提供了空穴，它们被称为受体，因为它们从锗原子中接受电子。

• 由于移动空穴的数量与受体的数量相等，因此P型半导体保持电中性。

• 当对添加了三价杂质的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，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，用于制造各种电子元件的广泛使用的材料是硅 (Si)。硅比锗更受青睐，原因有很多，例如 −

• 能带隙为 0.7ev，而锗为 0.2ev。

• 热对产生较小。

• 硅易于形成 SiO2 层，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由锗制成的元件小。

因此，硅用于制造许多电子元件，用于制造用于各种用途的不同电路。这些元件具有各自的属性和特定用途。

主要电子元件包括 - 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、LDR、LED、太阳能电池、热敏电阻、压敏电阻、变压器、开关、继电器等。