半導(dǎo)體的潛在物理過程

“半導(dǎo)體”一詞已經(jīng)與在20世紀(jì)下半葉迅速改變?nèi)祟惿畹募舛?a target="_blank">電子技術(shù)聯(lián)系在一起。

一、什么是半導(dǎo)體？

“半導(dǎo)體”一詞已經(jīng)與在20世紀(jì)下半葉迅速改變?nèi)祟惿畹募舛穗娮蛹夹g(shù)聯(lián)系在一起。但是，就其本身而言，半導(dǎo)體并不那么引人注目：它只是一種具有中等導(dǎo)電性的材料-也就是說，它的導(dǎo)電性比導(dǎo)體小，但比絕緣體大。

熱能使價(jià)電子脫離半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)，從而變成“自由”電子。這些移動(dòng)電子是可以在施加的電場的影響下移動(dòng)的負(fù)電荷，這些自由電子留下的空穴起移動(dòng)正電荷的作用。電子和空穴都參與半導(dǎo)體電流，并且半導(dǎo)體中的電學(xué)性質(zhì)受材料中存在的自由電子和空穴的數(shù)量影響。

左圖表示半導(dǎo)體的規(guī)則晶格，右圖包括電子-空穴對(duì)。

普通的未經(jīng)修飾的半導(dǎo)體無法提供有用的電子功能。將半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)革命手段的第一步稱為摻雜。

二、半導(dǎo)體摻雜

我們可以通過將其他材料注入晶格結(jié)構(gòu)來控制半導(dǎo)體中載流子的數(shù)量。更具體地說，我們注入具有不同價(jià)電子數(shù)量的材料。

假設(shè)我們的半導(dǎo)體是硅（Si），它是IV組元素，因此具有四個(gè)價(jià)電子。如上圖所示，硅原子通過共價(jià)鍵結(jié)合成規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)。諸如磷（P）之類的V組元素具有五個(gè)價(jià)電子，如果我們向硅中注入磷，則每個(gè)注入的原子都會(huì)向半導(dǎo)體的晶格中引入一個(gè)自由電子：

用V族元素?fù)诫s會(huì)引入自由電子。

在這種情況下，磷起摻雜劑的作用，而硅成為n型半導(dǎo)體：它通過摻雜獲得了額外的自由電子，并且在施加電場時(shí)，電流將主要?dú)w因于具有負(fù)電荷的電子。因此，在n型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，而空穴是少數(shù)載流子。

另一方面，如果我們用III族元素（例如硼（B））摻雜，則每個(gè)摻雜原子都會(huì)引入一個(gè)額外的空穴。這將硅變成了p型半導(dǎo)體：空穴的數(shù)量超過了自由電子的數(shù)量，電流的流動(dòng)將主要?dú)w因于正電荷的運(yùn)動(dòng)。因此，在p型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。

用III族元素?fù)诫s會(huì)引入空穴。

注入元素并不是摻雜過程中唯一的變量。我們還可以控制摻雜劑濃度，從而影響半導(dǎo)體的電性能。當(dāng)半導(dǎo)體包含相對(duì)較高濃度的摻雜原子時(shí)，我們稱其為重?fù)诫s。如果它包含相對(duì)較低濃度的摻雜劑原子，則將其輕摻雜。例如，場效應(yīng)晶體管將重?fù)诫s硅用作源極和漏極區(qū)域。

如果目標(biāo)是制造有用的電子組件，那么摻雜材料本身并沒有比原始半導(dǎo)體更好。但是，當(dāng)我們將n型半導(dǎo)體與p型半導(dǎo)體相鄰放置時(shí)，一切都會(huì)改變，此結(jié)構(gòu)稱為pn結(jié)。

三、pn結(jié)和半導(dǎo)體二極管

當(dāng)我們專注于半導(dǎo)體操作的物理學(xué)時(shí)，我們使用術(shù)語pn結(jié)；當(dāng)我們專注于電路設(shè)計(jì)時(shí)，我們使用二極管一詞。但是它們本質(zhì)上是同一回事：一個(gè)基本的半導(dǎo)體二極管是一個(gè)帶有導(dǎo)電端子的pn結(jié)。首先，讓我們看一下圖，然后，我們將簡要探討這個(gè)極為重要的電路元件的行為。

左邊的實(shí)心圓是空穴，右邊的實(shí)心圓是電子。該耗盡區(qū)由已經(jīng)與從n型半導(dǎo)體（這些重組孔由圓圈負(fù)號(hào)表示）和電子已經(jīng)與從p型半導(dǎo)體（由帶圓圈的正號(hào)表示）空穴重新結(jié)合的自由電子再結(jié)合孔。該復(fù)合導(dǎo)致耗盡區(qū)的p型部分帶負(fù)電，并且耗盡區(qū)的n型部分帶正電。

在p型和n型材料的接合處電荷的分離會(huì)導(dǎo)致電位差，稱為接觸電位。在硅pn結(jié)二極管中，接觸電勢約為0.6V。如上圖所示，該電勢的極性與我們預(yù)期的相反：在n型側(cè)為正，而在負(fù)極為負(fù)在p型一側(cè)。

電流可以通過擴(kuò)散流過結(jié)-由于結(jié)兩部分的電荷載流子濃度不同，一些來自p型材料的空穴將擴(kuò)散到n型材料中，而一些來自n型電子型材料將擴(kuò)散到p型材料中。然而，由于接觸電勢對(duì)該擴(kuò)散電流起阻擋作用，因此幾乎沒有電流流動(dòng)。此時(shí)，我們將開始使用術(shù)語勢壘電壓代替接觸電勢。

四、正向和反向偏置

如果我們將二極管連接到電池，使得電池的電壓與勢壘電壓具有相同的極性，則結(jié)點(diǎn)將被反向偏置。由于我們正在增加勢壘電壓，因此擴(kuò)散電流進(jìn)一步受到阻礙。

施加反向偏置電壓會(huì)使結(jié)的耗盡區(qū)變寬。

另一方面，如果我們將電池的正極端子連接到二極管的p型側(cè)，而負(fù)極端子連接到n型側(cè)，則我們正在降低勢壘電壓，從而促進(jìn)電荷載流子在結(jié)上的擴(kuò)散。但是，在我們克服勢壘電壓并完全耗盡耗盡區(qū)之前，電流量將保持相當(dāng)?shù)偷乃?。這在施加的電壓等于勢壘電壓時(shí)發(fā)生，并且在這些正向偏置條件下，電流開始自由流過二極管。

五、二極管作為電路組件

前面的討論揭示了產(chǎn)生硅二極管電行為的兩個(gè)最突出特征的潛在物理過程。

首先，當(dāng)以反向偏壓極性施加電壓時(shí)，pn結(jié)阻止電流流動(dòng)，而當(dāng)以正偏壓極性施加電壓時(shí)，pn結(jié)允許電流流動(dòng)。這就是為什么二極管可以用作電流的單向閥的原因。

其次，當(dāng)施加的正向偏置電壓接近勢壘電壓時(shí)，流過二極管的電流呈指數(shù)增長。這種指數(shù)電壓-電流關(guān)系使正向偏置二極管的電壓降保持相當(dāng)穩(wěn)定，如下圖所示。

二極管的工作量可以近似為一個(gè)恒定的電壓降，因?yàn)殡娏鞯拇笤黾訉?duì)應(yīng)于很小的電壓增加。

下圖闡明了二極管的物理結(jié)構(gòu)，其電路符號(hào)以及我們用于其兩個(gè)端子的名稱之間的關(guān)系。施加正向偏置電壓會(huì)使電流沿藍(lán)色箭頭方向流動(dòng)。