誠然,在任何商業(yè)、高科技或重大科學(xué)應(yīng)用的背后,都有一個潛在的化學(xué)機制。對于電子學(xué)的許多領(lǐng)域也是如此,尤其是當大多數(shù)化學(xué)領(lǐng)域都受電子運動支配時。雖然化學(xué)的基本原理無處不在,但充分利用化學(xué)原理的電子學(xué)最重要的領(lǐng)域之一可能是半導(dǎo)體結(jié)。
半導(dǎo)體結(jié),也稱為 pn 結(jié),是兩種不同類型的半導(dǎo)體區(qū)域(p 型和 n 型)之間的界面。從最基本的意義上講,它是一種結(jié),通過利用兩個化學(xué)摻雜區(qū)域相遇處的特性,使電流能夠沿一個方向通過。
化學(xué)如何使半導(dǎo)體結(jié)發(fā)揮作用
這些結(jié)內(nèi)有很多化學(xué)成分,范圍從摻雜構(gòu)成 p 型和 n 型材料的材料到結(jié)如何傳遞電流。要了解這些結(jié)為何如此工作,我們必須首先了解結(jié)中涉及的半導(dǎo)體材料。
化學(xué)摻雜的影響
這些結(jié)中使用的半導(dǎo)體材料都是非本征半導(dǎo)體,這意味著它們是化學(xué)摻雜的;這會改變它們的電子特性。P 型半導(dǎo)體是摻雜了價態(tài)低于原始材料的元素的材料,而 n 型材料是摻雜了價態(tài)更高的元素的材料。
作為參考,我們將考慮硅,因為它是這些結(jié)中使用最廣泛的材料之一。硅有四個價電子(因為它是第 IV 族元素),這意味著它可以與晶格中的其他硅原子形成 4 個共價鍵。如果用第 (III) 族元素(例如鎵)代替硅原子,則摻雜的原子將只能與周圍的晶格形成三個鍵,而不是四個。這使得晶格中缺少化學(xué)鍵(即原子空位),稱為空穴。實際上,這些空穴充當帶正電的粒子。大量的空穴也導(dǎo)致價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中,這就在價帶內(nèi)留下了空穴。
相比之下,當硅摻雜第 (V) 族元素(例如砷化物)時,這種摻雜劑能夠在晶格內(nèi)形成五個鍵。然而,由于晶格幾何結(jié)構(gòu)僅設(shè)計為每個原子容納四個鍵(摻雜劑不會改變晶格到重新排列的程度),因此砷化物原子形成適合晶格所需的四個鍵,但一個額外的電子剩下的,然后變得離域。在n型半導(dǎo)體中,額外電子的費米能級位于帶隙頂部,剛好在導(dǎo)帶下方,這意味著離域電子很容易被激發(fā)到導(dǎo)帶中。
應(yīng)該注意的是,即使半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了局部變化,兩種類型的半導(dǎo)體材料仍保持電子中性。這是因為它們?nèi)匀粨碛信c電子相同數(shù)量的質(zhì)子(盡管整體數(shù)量會因摻雜而改變)。
交界處如何運作
一旦制造了 p 型和 n 型區(qū)域,這些不同半導(dǎo)體區(qū)域之間的界面就充當結(jié)。因此得名——pn 結(jié)。應(yīng)該注意的是,通常采用單晶材料,其中一半材料為 p 型摻雜,另一半為 n 型摻雜,而不是將兩種材料連接在一起——因為熔合過程通常會產(chǎn)生晶界(一種類型原子缺陷),可以抑制電流。
因此,結(jié)的一側(cè)是一系列帶負電的電子,另一側(cè)是一系列帶正電的空穴。結(jié)兩側(cè)的這種電荷分離產(chǎn)生電場,這成為 pn 結(jié)的內(nèi)置場。這個電場是由帶相反電荷的粒子聚集在一起并重新結(jié)合(也稱為湮滅)產(chǎn)生的,然后排斥結(jié)的 n 側(cè)上的電子和 p 側(cè)上的空穴。電場活躍的界面區(qū)域稱為耗盡區(qū)。這使得帶正電和帶負電的粒子在各自的側(cè)面分離。為了保持結(jié)周圍的中性電荷,結(jié)每一側(cè)的電荷總數(shù)必須相同。在路口中間,
在平衡狀態(tài)下,載流子的通量為零。耗盡區(qū)還充當電荷載流子在重新結(jié)合之前需要克服的勢壘,并且該勢壘的大小由耗盡層的厚度決定。當在結(jié)上施加正向電偏壓時,額外的能量將提供給自由空穴和電子,使它們能夠移動到耗盡區(qū)。這將耗盡區(qū)的寬度減小到電場無法再抵消電荷載流子運動的程度。一旦發(fā)生這種情況,電子就會滲透到結(jié)的另一側(cè),在那里它們與空穴重新結(jié)合。這會導(dǎo)致耗盡區(qū)再次增加,盡管在消除偏差之前它不會完全恢復(fù)到平衡狀態(tài)。
相比之下,當對結(jié)施加反向偏置時,沒有電流流過。因此,電流只會朝一個方向流動。電流不會在反向偏壓下流動,因為施加的電場與耗盡層的內(nèi)建電場方向相同(盡管也有例外)。在同一方向增加額外的電場會導(dǎo)致耗盡層增加,進而導(dǎo)致電阻增加。
依賴于這些結(jié)的化學(xué)性質(zhì)的電子應(yīng)用
盡管可以從一般角度解釋“標準”半導(dǎo)體結(jié)的化學(xué)性質(zhì),但產(chǎn)生電流的確切機制可能會因所采用的電子元件和/或應(yīng)用而異。在這里,我們討論了幾個與標準模型不同的常見示例。
pn 結(jié)的最大應(yīng)用之一是光伏系統(tǒng)(太陽能電池)。在光伏結(jié)中,電流將通過光子產(chǎn)生。光子被吸收到結(jié)的耗盡區(qū),這導(dǎo)致耗盡區(qū)(通常是硅)內(nèi)的一些共價鍵斷裂并釋放電子(和空穴)。因為結(jié)連接到電路,電子移動到 p 側(cè)并產(chǎn)生電流,而空穴移動到 n 側(cè),在那里它們與電子重新結(jié)合并恢復(fù)電中性。
二極管是另一個有效使用半導(dǎo)體結(jié)的領(lǐng)域。二極管有多種形式,其中一些使用不同的機制來產(chǎn)生電流。大多數(shù)二極管將按上述方式工作,并且只允許電流沿一個方向通過——通過正向偏置模式。但是,有一種稱為齊納二極管的類型使用反向偏置。一旦正極端子的電位比負極端子低得多,就會發(fā)生反向擊穿,電子從 p 摻雜材料中的共價鍵中脫離出來,反向(雪崩)電流流動(用于調(diào)節(jié)電壓在一個電路中)。
結(jié)論
總的來說,化學(xué)對半導(dǎo)體結(jié)很重要的原因有很多;如果沒有各個化學(xué)學(xué)科的進步,現(xiàn)在就不可能有半導(dǎo)體材料(和結(jié))。半導(dǎo)體結(jié)采用無機、物理、量子和材料化學(xué)(在某些情況下是有機的)原理;并且利用許多化學(xué)領(lǐng)域的組合負責(zé)通過使用不同的摻雜元素來改變材料的電子和化學(xué)性質(zhì)的能力,以及摻雜區(qū)域之間發(fā)生的基本電子(和空穴)遷移機制,和更專業(yè)的現(xiàn)象,例如光子粒子通過半導(dǎo)體結(jié)產(chǎn)生電流的能力。
審核編輯:湯梓紅
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