IC先生：關(guān)于常見(jiàn)半導(dǎo)體知識(shí)內(nèi)容匯總整理

什么是半導(dǎo)體？

半導(dǎo)體是在導(dǎo)體（通常是金屬）和非導(dǎo)體或絕緣體（如陶瓷）之間具有導(dǎo)電性的材料。半導(dǎo)體可以是砷化鎵等化合物，也可以是鍺或硅等純?cè)亍?/span>物理學(xué)解釋了管理半導(dǎo)體的理論、特性和數(shù)學(xué)方法。

半導(dǎo)體示例：

砷化鎵、鍺和硅是一些最常用的半導(dǎo)體。硅用于電子電路制造，砷化鎵用于太陽(yáng)能電池、激光二極管等。

半導(dǎo)體中的空穴和電子

空穴和電子是負(fù)責(zé)半導(dǎo)體中電流流動(dòng)的電荷載流子類(lèi)型。空穴（價(jià)電子）是帶正電的電荷載體，而電子是帶負(fù)電的粒子。電子和空穴的大小相等，但極性相反。

電子和空穴的遷移率

在半導(dǎo)體中，電子的遷移率高于空穴的遷移率。這主要是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)和散射機(jī)制不同。

電子在導(dǎo)帶中傳播，而空穴在價(jià)帶中傳播。當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，由于其運(yùn)動(dòng)受限，空穴不能像電子一樣自由移動(dòng)。電子從它們的內(nèi)殼上升到更高的殼導(dǎo)致在半導(dǎo)體中產(chǎn)生空穴。由于與電子相比，空穴受到核的原子力更強(qiáng)，因此空穴的遷移率較低。

如果半導(dǎo)體中粒子的遷移率更高；

• 粒子的有效質(zhì)量更小

• 散射事件之間的時(shí)間更長(zhǎng)

對(duì)于 300 K 的本征硅，電子的遷移率為 1500 cm 2 (V?s) -1，空穴的遷移率為 475 cm 2 (V?s) -1。

4價(jià)硅中電子的鍵模型如下所示。在這里，當(dāng)一個(gè)自由電子（藍(lán)點(diǎn)）離開(kāi)晶格位置時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)空穴（灰點(diǎn)）。這樣產(chǎn)生的這個(gè)空穴帶走了電子的相反電荷，可以想象成正電荷載體在晶格中移動(dòng)。

半導(dǎo)體能帶理論

能帶理論的引入發(fā)生在科學(xué)的量子革命期間。Walter Heitler 和 Fritz London 發(fā)現(xiàn)了能帶。

我們知道原子中的電子存在于不同的能級(jí)。當(dāng)我們?cè)噲D用 N 個(gè)原子組裝一個(gè)固體晶格時(shí)，一個(gè)原子的每個(gè)能級(jí)都必須在固體中分裂成 N 個(gè)能級(jí)。這種尖銳而緊密的能級(jí)分裂形成了能量帶。代表一系列不具有電子的能量的相鄰帶之間的間隙稱(chēng)為帶隙。

半導(dǎo)體中的導(dǎo)帶和價(jià)帶價(jià)帶：

涉及價(jià)電子能級(jí)的能帶稱(chēng)為價(jià)帶。它是最高占據(jù)的能帶。與絕緣體相比，半導(dǎo)體的帶隙更小。它允許價(jià)帶中的電子在接收任何外部能量時(shí)跳入導(dǎo)帶。

導(dǎo)帶：

它是包括正（空穴）或負(fù)（自由電子）電荷載流子能級(jí)的最低未占帶。它具有導(dǎo)電電子，導(dǎo)致電流流動(dòng)。導(dǎo)帶具有高能級(jí)并且通常是空的。半導(dǎo)體中的導(dǎo)帶接受來(lái)自?xún)r(jià)帶的電子。

什么是半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級(jí)？

費(fèi)米能級(jí)（用 EF 表示）存在于價(jià)帶和導(dǎo)帶之間。它是絕對(duì)零處的最高占據(jù)分子軌道。這種狀態(tài)下的電荷載流子有自己的量子態(tài)，通常不會(huì)相互影響。當(dāng)溫度升至絕對(duì)零以上時(shí)，這些電荷載流子將開(kāi)始占據(jù)費(fèi)米能級(jí)以上的狀態(tài)。

在p 型半導(dǎo)體中，未填充狀態(tài)的密度增加。因此，在較低能級(jí)容納更多電子。然而，在n 型半導(dǎo)體中，態(tài)密度增加，因此在更高能級(jí)容納更多電子。

半導(dǎo)體的特性

半導(dǎo)體可以在較好的條件或環(huán)境下導(dǎo)電。這種獨(dú)特的特性使其成為一種根據(jù)需要以受控方式導(dǎo)電的優(yōu)良材料。

與導(dǎo)體不同，半導(dǎo)體中的電荷載流子僅因外部能量（熱攪動(dòng)）而產(chǎn)生。它使一定數(shù)量的價(jià)電子穿過(guò)能隙，跳入導(dǎo)帶，留下等量的未占據(jù)能態(tài)，即空穴。由于電子和空穴的傳導(dǎo)同樣重要。

• 電阻率： 10 -5至 10 6 Ωm

• 電導(dǎo)率： 10 5至 10 -6 mho/m

• 電阻溫度系數(shù)：負(fù)

• 電流：由于電子和空穴

為什么半導(dǎo)體的電阻率會(huì)隨溫度下降？

導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的電阻率差異是由于它們的電荷載流子密度不同。

半導(dǎo)體的電阻率隨溫度而降低，因?yàn)殡姾奢d流子的數(shù)量隨著溫度的升高而迅速增加，使分?jǐn)?shù)變化，即溫度系數(shù)為負(fù)。

半導(dǎo)體的一些重要特性是：

1. 半導(dǎo)體就像零開(kāi)爾文的絕緣體。隨著溫度的升高，它起到導(dǎo)體的作用。

2. 由于其卓越的電學(xué)特性，半導(dǎo)體可以通過(guò)摻雜進(jìn)行改性，以制造適用于能量轉(zhuǎn)換、開(kāi)關(guān)和放大器的半導(dǎo)體器件。

3. 較小的功率損耗。

4. 半導(dǎo)體尺寸更小，重量更輕。

5. 它們的電阻率高于導(dǎo)體，但低于絕緣體。

6. 半導(dǎo)體材料的電阻隨著溫度的升高而降低，反之亦然。

半導(dǎo)體的種類(lèi)

半導(dǎo)體可分為：

• 本征半導(dǎo)體

• 非本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體

一種本征類(lèi)型的半導(dǎo)體材料在化學(xué)上非常純凈。它僅由一種元素組成。

鍺 (Ge) 和硅 (Si) 是最常見(jiàn)的本征半導(dǎo)體元素類(lèi)型。它們有四個(gè)價(jià)電子（四價(jià)）。它們?cè)诮^對(duì)零溫度下通過(guò)共價(jià)鍵與原子結(jié)合。

當(dāng)溫度升高時(shí)，由于碰撞，很少有電子不受約束并可以自由地穿過(guò)晶格，從而在其原始位置（空穴）中產(chǎn)生缺失。這些自由電子和空穴有助于半導(dǎo)體中的導(dǎo)電。負(fù)電荷載體和正電荷載體的數(shù)量相等。

熱能能夠電離晶格中的幾個(gè)原子，因此它們的電導(dǎo)率較低。

不同溫度下純硅半導(dǎo)體的晶格

• 在絕對(duì)零開(kāi)爾文溫度下：在這個(gè)溫度下，共價(jià)鍵非常強(qiáng)，沒(méi)有自由電子，半導(dǎo)體表現(xiàn)為完美的絕緣體。

• 高于絕對(duì)溫度：隨著溫度的升高，很少有價(jià)電子跳入導(dǎo)帶，因此它表現(xiàn)為不良導(dǎo)體。

本征半導(dǎo)體的能帶圖

本征半導(dǎo)體的能帶圖如下所示：

在本征半導(dǎo)體中，電流由于自由電子和空穴的運(yùn)動(dòng)而流動(dòng)。總電流是由熱產(chǎn)生的電子產(chǎn)生的電子電流 I e和空穴電流 I h之和

總電流 (I) = I e + I h

對(duì)于本征半導(dǎo)體，在有限溫度下，電子存在于導(dǎo)帶中的概率隨著帶隙 (Eg )的增加呈指數(shù)下降

n = n 0 e -Eg/2.Kb.T

其中：

• Eg = 能量帶隙

• K b =玻爾茲曼常數(shù)

非本征半導(dǎo)體

通過(guò)引入少量合適的稱(chēng)為雜質(zhì)的替代原子，可以大大提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。將雜質(zhì)原子添加到純半導(dǎo)體中的過(guò)程稱(chēng)為 DOPING。通常，10 7中只有1個(gè)原子被摻雜半導(dǎo)體中的摻雜原子取代。非本征半導(dǎo)體可進(jìn)一步分為：

• N型半導(dǎo)體

• P型半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體

• 主要是由于電子

• 完全中立

• I = I h和 n h >> n e

• 多數(shù)——電子和少數(shù)——空穴

當(dāng)純半導(dǎo)體（硅或鍺）摻雜五價(jià)雜質(zhì)（P、As、Sb、Bi）時(shí)，五個(gè)價(jià)電子中的四個(gè)電子與 Ge 或 Si 的四個(gè)電子結(jié)合。

摻雜劑的第五個(gè)電子被釋放。因此，雜質(zhì)原子為晶格中的傳導(dǎo)提供了一個(gè)自由電子，被稱(chēng)為“ Donar ”。

由于自由電子的數(shù)量通過(guò)添加雜質(zhì)而增加，因此負(fù)電荷載流子增加。因此，它被稱(chēng)為n型半導(dǎo)體。

晶體作為一個(gè)整體是中性的，但供體原子變成了一個(gè)不動(dòng)的正離子。由于傳導(dǎo)是由于大量的自由電子，n型半導(dǎo)體中的電子是主要載流子，而空穴是少數(shù)載流子。

P型半導(dǎo)體

• 主要是因?yàn)榭?/span>

• 完全中立

• I = I h和 n h >> n e

• 多數(shù)——空穴和少數(shù)——電子

當(dāng)純半導(dǎo)體摻雜三價(jià)雜質(zhì)（B、Al、In、Ga）時(shí)，雜質(zhì)的三個(gè)價(jià)電子與半導(dǎo)體的四個(gè)價(jià)電子中的三個(gè)結(jié)合。

這使得雜質(zhì)中沒(méi)有電子（空穴）。這些準(zhǔn)備接受鍵合電子的雜質(zhì)原子被稱(chēng)為“受體”。

隨著雜質(zhì)數(shù)量的增加，空穴（正電荷載體）增加。因此，它被稱(chēng)為p型半導(dǎo)體。

晶體整體是中性的，但受體變成了不動(dòng)的負(fù)離子。由于導(dǎo)電是由于大量的空穴，p型半導(dǎo)體中的空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。

本征和非本征半導(dǎo)體之間的區(qū)別

半導(dǎo)體的應(yīng)用

現(xiàn)在讓我們了解半導(dǎo)體在日常生活中的用途。幾乎所有電子設(shè)備都使用半導(dǎo)體。沒(méi)有他們，我們的生活會(huì)大不相同。

它們的可靠性、緊湊性、低成本和可控的導(dǎo)電性使其非常適合用于各種組件和設(shè)備中的各種用途。晶體管、二極管、光電傳感器、微控制器、集成芯片等等都是由半導(dǎo)體制成的。

半導(dǎo)體在日常生活中的用途

• 溫度傳感器由半導(dǎo)體器件制成。

• 它們用于 3D 打印機(jī)

• 用于微芯片和自動(dòng)駕駛汽車(chē)

• 用于計(jì)算器、太陽(yáng)能板、電腦等電子設(shè)備。

• 在電路中用作開(kāi)關(guān)的晶體管和MOSFET是使用半導(dǎo)體制造的。

半導(dǎo)體的工業(yè)用途

半導(dǎo)體的物理和化學(xué)特性使它們能夠設(shè)計(jì)微芯片、晶體管、LED、太陽(yáng)能電池等技術(shù)奇跡。

用于控制航天器、火車(chē)、機(jī)器人等運(yùn)行的微處理器是由半導(dǎo)體材料制造的晶體管和其他控制器件組成的。

半導(dǎo)體的重要性

在這里，我們討論了半導(dǎo)體的一些優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使它們?cè)谌魏蔚胤蕉挤浅Ｓ杏谩?/span>

• 由于尺寸更小，它們非常便攜

• 它們需要更少的輸入功率

• 半導(dǎo)體設(shè)備是防震的

• 他們有更長(zhǎng)的壽命

• 它們?cè)谶\(yùn)行時(shí)無(wú)噪音

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