半导体是什么-半导体包括哪些材料-详细

发布时间：2019-08-05 16:07:51
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半导体

金属（例如铝、铜和银）都是很好的电导体，原子周期性规则排列。原子外层电子（价电子）可以在材料中自由移动。由于原子的数量非常大，因此自由电子的数量更是庞大（通常在1023cm-3的量级），即使是非常小的电场都会导致很大的电子电流-因此，金属总是呈现出很好的导电特性。

但是，绝缘体（例如二氧化硅）与导体的特性就完全个一样。在绝缘体中，价电子在邻近原子之间形成价键，从而被紧紧束缚在原子的周围。因此，绝缘体中没有可移动的自由电子，从而电导率非常低。

半导体（例如硅或者锗）的导电特性介于导体和绝缘体之间。在极低温时，价电子束缚在其原子周围，形成规则的晶体。但是，随着温度升高，由于原予的热扰动，一些价键断裂，电子就会从断裂的价键巾逃逸出来。这种电子具有导电能力。而且，每一个逃逸的电子将在价键处留下一个电荷缺陷（称为空穴）。价键中的价电子如果与空穴邻近，就很容易移动填入宅穴，在其原来的位置留下一个新的空穴。这种效应就像空穴从一个价键流向另一个位置。空穴的“移动。方向与价电子的移动方向相反，在电场中，空穴的行为就像一个正电荷。

对半导体来说，在室温下导电是可能的。但是，热运动产生的电子和空穴浓度都远小于金属中自由电子的浓度。通常情况，对于硅和锗来说，每立方厘米中的载流子数典型值分别为1010和1013在下面的章节中，将主要分析目前的主流材料-硅。

在纯净的硅材料中添加额外的外来粒子（掺杂物）可以提高半导体中自由载流子的数量。硅（和锗）具有四个价电子。如果掺杂物中的原子有五个价电子（例如砷、磷或者锑），将该材料掺杂进入半导体，这些杂质原子就会占据硅原子在晶格中的位置。因此，四个价电子都会参与形成四个价键，将原子与品格中临近的原子绑在一起。外来杂质的第五个价电子没有任何价键束缚，可以在材料中自由移动，但是，这个价电子也可能出现存任意价键中，从而脱离现有原子的束缚，成为自由电子。因此，这种杂质原子（也称为施主原子，因为其增加了半导体中自由电子的数量）可以改变材料的电导特性。

在纯净的硅材料：1，添加仪有三个价电子的杂质原子也可以提高半导体的电导率。每个杂质原子将缺乏一个价键电了，因此，这种原子就可以产牛一个空穴。这些杂质（例如硼、铝和镓等）称为受主原子，因为空穴会通过接受临近半导体原子价键的价电子来实现移动，从而产生电流。

这样，掺杂半导休将同时存在由于热运动形成的载流子和施主（或者受主）原子。包含施主原子的材料同时具有自由电子和空穴，其电子数量多于空穴。这种半导体也称为N型半导体，这里N表示“Negative”（负的）。包含受主原子的材料中，空穴为多数载流子，因此称为P型半导体，这里P表示“Positive”（正的）。

半导体上艺也可以制造出同时包含不向类型邻近区域的结构（图2.1）。将两种类型区域结合起来的表面区域称为PN结。当PN结形成时，多数载流子（N型区域的多子为电子，P型区域的多子为空穴）的随机热运动将使电了从N型区域流向P型区域。反之，空穴将从P型区域流向N型区域。因此，这种随机热运动（称为扩散）会使P型半导体积累负电荷，而N型半导体积累正电荷。这种效应在PN

结的接触面附近最为显著：在P型区域，带负电的受主原子由于空穴的引入不再呈现电中性，而（N型区域）自由载流子个再围绕在带正电荷的施主离子附近。因此，在PN结的附近，形成了固定离子的偶极子层（图2.2）。偶极子层会产牛一个与多数载流子扩散方向相反的电场E，会使热运动产牛的少数载流子（P型区域中的电子和N型区域中的空穴）从一个区域流向另一个区域。因此，在短暂的瞬态变化后，PN结中载流子状态达到平衡。四种不同的载流子将在半导体中流动：多数载流子将从一个区域扩散至另一个区域，与电场E无关，少数载流子将在电场E的作用卜流动。因为电场E的效应会补偿多数载流子的数量，所以，在平衡状态下，这些电流将相互抵消。

如果在半导休上：焊接导线，并施加电压，其平衡状态将被打破（图2.3）。首先，假设电压源的极性是使P型区域的电压高于N型区域的电压，那么在图2.3中就是V>0。然后外加电压将降低电场E，从而减小了电场E的束缚，增加了多数载流子在边界上的扩散电流。即使电场E只有少量减小，例如V＝0.8V，可以在电路中产生很大的多数载流子电流（例如I=lA）。因此，这种极性的电压V就称为正向电压，而I也就称为正向电流。

现在分析电压极性相反的情况，即图2.3中，V<0）。这样外加电压V将增强电场E，阻止多数载流子在区域问流动。如果V足够大，多数载流子电流几乎消失，只有少数载流子仍在流动（电子从P型区域流向N型区域，空穴从相反入向移动）。由于少数载流子的数量非常小，而且几乎与外加电压V无关，从而PN结的净电流将非常小，基本保持恒定。这种情况下，V和I就分别称为反向电压和反向电流。利用图2.3中所规定的参考方向，此时I
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其中，Is表示二极管的反向饱和电流，由器件采用的材料特性以及器件几何尺寸确定；电子电荷最q≈1.6X10-19C；玻尔兹曼常数R≈1.38X10-23J/K；T表示半导体的温度，单位为开尔文，在室温下（T=300K），RT/q≈26mV。Is通常都非常小，在10-9A量级，甚至可能更低。从而可以得出，当V>O时，电流丁随着电压的升高而呈指数关系增大，而当V<0，电流I≈一Is，其值非常小（图2.4）。

N型区和P型区交界区域的特性是非常重要的。如前文所述，在该区域中，多数载流子是非常稀疏的，一些载流子流进该区域，而同时另一些被电场E推回到本身原来的区域。因此，交界区域含有固定的离子，使得P型区带有负电，而N型区带正电(图2.3)。因此，这一区域称为耗尽层，其宽度随着电场E的增加而增大，即在反向偏置（正向偏置）状态下，耗尽层宽度将增大（减小）。
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