半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識盤點

如果電阻是電氣或電子電路中最基本的無源元件，那么我們必須將信號二極管視為最基本的有源元件。

然而，與電阻器不同，二極管相對于所施加的電壓并不表現(xiàn)為線性，因為它具有指數(shù)IV關(guān)系，因此不能像我們對電阻器那樣簡單地使用歐姆定律來描述。

二極管是基本的單向半導(dǎo)體器件，它只允許電流僅在一個方向上流過它們，更像是單向電動閥（正向偏置條件）。但是，在我們了解信號或功率二極管如何工作之前，我們首先需要了解半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)和概念。

二極管由單片半導(dǎo)體材料制成其一端具有正“P區(qū)”而另一端具有負(fù)“N區(qū)”，并且其電阻率值介于導(dǎo)體和絕緣體之間。但什么是“半導(dǎo)體”材料？首先讓我們來看看是什么使得導(dǎo)體或絕緣體。

電阻率

電氣或電子元件或器件的電阻通常定義為其上的電壓差與流過它的電流之比，基本歐姆定律。使用電阻作為測量的問題在于，它很大程度上取決于被測材料的物理尺寸以及制造它的材料。例如，如果我們要增加材料的長度（使其更長），其阻力也會按比例增加。

同樣，如果我們增加其直徑或尺寸（使其更厚），其阻力值將減少。因此，我們希望能夠以這樣一種方式定義材料，以表明它能夠傳導(dǎo)或反對通過它的電流，無論它的大小或形狀如何。

用于表示此特定阻力的數(shù)量稱為電阻率，并且給出希臘符號ρ，（ Rho ）。電阻率以歐姆 - 米（Ω.m）測量。電阻率與電導(dǎo)率成反比。

如果比較各種材料的電阻率，它們可分為三個主要類別，導(dǎo)體，絕緣體和半導(dǎo)體，如下所示。

電阻率圖

導(dǎo)體

從上面我們現(xiàn)在知道導(dǎo)體是具有非常低的電阻率值的材料，通常以微歐姆為單位儀表。這個低值允許它們?nèi)菀椎貍鬟f電流，因為在它們的基本原子結(jié)構(gòu)內(nèi)有大量自由電子漂浮。但是，如果有東西刺激它們的運動，這些電子只會流過導(dǎo)體，而某些東西就是電壓。

當(dāng)正電壓電位施加到材料上時，這些“自由電子”離開它們母原子和通過材料一起行進形成電子漂移，通常稱為電流。這些電子如何“自由地”穿過導(dǎo)體取決于在施加電壓時它們能夠輕易地脫離其組成原子。然后流動的電子量取決于導(dǎo)體的電阻率。

良導(dǎo)體的例子通常是金屬，如銅，鋁，銀或非金屬，如碳，因為這些材料很少電子在它們的外部“價殼”或環(huán)中，導(dǎo)致它們很容易被撞出原子的軌道。

這允許它們在材料中自由流動直到它們加入與其他原子一起，通過材料產(chǎn)生“多米諾效應(yīng)”，從而產(chǎn)生電流。如圖所示，銅和鋁是電纜中使用的主要導(dǎo)體。

一般來說，大多數(shù)金屬都是良好的電導(dǎo)體，因為它們具有非常小的電阻值，通常在每米微歐姆的范圍內(nèi)，（μΩ.m）。

雖然銅和鋁等金屬是非常好的電導(dǎo)體，但它們?nèi)匀粚﹄娮恿鲃佑幸欢ǖ淖枇?，因此不能完美地傳?dǎo)。

在通過電流過程中損失的能量以熱量的形式出現(xiàn)，這就是導(dǎo)體特別是電阻隨著導(dǎo)體電阻率隨環(huán)境溫度升高而變熱的原因。

絕緣體

絕緣體另一方面與導(dǎo)體完全相反。它們由通常為非金屬的材料制成，在其基本原子結(jié)構(gòu)中漂浮很少或沒有“自由電子”，因為外部價殼中的電子被帶正電的內(nèi)核強烈吸引。

換句話說，電子粘在母原子上并且不能自由移動，所以如果向材料施加電位電壓，沒有電流會流動，因為沒有“自由電子”可以移動，這給了這些材料具有絕緣性能。

絕緣體也具有很高的電阻，每米數(shù)百萬歐姆，并且通常不受常溫變化的影響（盡管在非常高的溫度下，木材變成木炭，從絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體）。良好的絕緣體的例子是大理石，熔融石英，PVC塑料，橡膠等。

絕緣體在電氣和電子電路中起著非常重要的作用，因為沒有它們，電路會短路而不能工作。例如，玻璃或瓷制絕緣子用于絕緣和支撐架空傳輸電纜，而環(huán)氧玻璃樹脂材料用于制造印刷電路板，PCB等，而PVC則用于絕緣電纜，如圖所示。

半導(dǎo)體基礎(chǔ)

半導(dǎo)體材料，如硅（Si），鍺（Ge）和砷化鎵（GaAs），在中間某處具有電性能，介于兩者之間“導(dǎo)體”和“絕緣體”。它們不是良導(dǎo)體，也不是良好的絕緣體（因此它們的名稱是“半導(dǎo)體”）。它們只有很少的“自由電子”，因為它們的原子緊密地組合在一起稱為“晶格”的晶體模式，但電子仍然能夠流動，但僅在特殊條件下。

半導(dǎo)體的能力通過向該晶體結(jié)構(gòu)中取代或添加某些供體或受體原子可以大大改善導(dǎo)電性，從而產(chǎn)生比空穴更多的自由電子，反之亦然。這是通過在基材上添加一小部分另一種元素，硅或鍺。

在它們自己的硅和鍺上被歸類為內(nèi)在半導(dǎo)體，即它們是化學(xué)純的，只包含半成品 - 導(dǎo)電材料。但是通過控制添加到該本征半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)的量，可以控制其導(dǎo)電性。可以在該本征材料中加入各種稱為施主或受主的雜質(zhì)，分別產(chǎn)生自由電子或空穴。

將供體或受體原子加入半導(dǎo)體原子的過程（每1000萬個雜質(zhì)原子的數(shù)量級）或更多）半導(dǎo)體原子被稱為摻雜。由于摻雜的硅不再是純的，這些供體和受體原子統(tǒng)稱為“雜質(zhì)”，通過摻雜足夠數(shù)量的雜質(zhì)，我們可以將它變成N型或P型。半導(dǎo)體材料。

迄今為止最常用的半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料是硅。硅在其最外層殼中具有四個價電子，它與其相鄰的硅原子共享，形成八個電子的完整軌道。兩個硅原子之間的鍵合結(jié)構(gòu)使得每個原子與其相鄰的原子共享一個電子，使得鍵非常穩(wěn)定。

因為很少有自由電子可以在硅晶體周圍移動，晶體因此，純硅（或鍺）是良好的絕緣體，或者至少是非常高值的電阻器。

硅原子以一定的對稱圖案排列，使它們成為結(jié)晶的固體結(jié)構(gòu)。純二氧化硅（二氧化硅或玻璃）晶體通常被認(rèn)為是一種固有晶體（它沒有雜質(zhì)），因此沒有自由電子。

但是簡單地將硅晶體連接到電池供電是不足以從中提取電流。為此，我們需要在硅中產(chǎn)生“正”和“負(fù)”極點，從而允許電子并因此電流流出硅。這些極點是通過在硅中摻雜某些雜質(zhì)而產(chǎn)生的。

硅原子結(jié)構(gòu)

上圖顯示了硅的“正?！奔兙w的結(jié)構(gòu)和晶格。

N型半導(dǎo)體基礎(chǔ)

為了使我們的硅晶體導(dǎo)電，我們需要將諸如砷，銻或磷的雜質(zhì)原子引入晶體結(jié)構(gòu)中，使其成為外在的（添加雜質(zhì)）。這些原子在其最外側(cè)軌道上有五個外部電子與相鄰原子共享，通常被稱為“五價”雜質(zhì)。

這使得五個軌道電子中的四個能夠與其相鄰的硅原子鍵合，留下一個“自由電子“在施加電壓時變得可移動（電子流動）。由于每個雜質(zhì)原子“貢獻(xiàn)”一個電子，五價原子通常稱為“供體”。

銻（符號Sb）以及磷（符號P）經(jīng)常用作硅的五價添加劑。銻有51個電子排列在其核周圍的五個殼中，最外面的軌道有五個電子。得到的半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料具有過量的載流電子，每個都帶有負(fù)電荷，因此被稱為N型材料，其電子稱為“多數(shù)載流子”，而得到的空穴當(dāng)被外部電源激發(fā)時，通過這種刺激從硅原子中釋放的電子很快被摻雜的銻原子中的自由電子所取代。但是這種作用仍然會在摻雜晶體周圍留下一個額外的電子（自由電子），使其帶負(fù)電。

然后，當(dāng)半導(dǎo)體材料的供體密度大于其受主密度時，半導(dǎo)體材料被歸類為N型。換句話說，它比空穴有更多的電子，從而產(chǎn)生負(fù)極，如圖所示。

銻原子和興奮劑

上圖顯示了供體雜質(zhì)原子銻的結(jié)構(gòu)和晶格。

P型半導(dǎo)體基礎(chǔ)

如果我們走另一條路，并在晶體結(jié)構(gòu)中引入“三價”（3電子）雜質(zhì)，如鋁，硼或銦，它們只有在其最外側(cè)軌道中可獲得三個價電子，不能形成第四個閉合鍵。因此，不可能完全連接，為半導(dǎo)體材料提供大量帶正電的載流子，稱為晶體結(jié)構(gòu)中的空穴，其中電子有效地缺失。

因為硅中現(xiàn)在有一個空穴晶體，一個相鄰的電子被吸引到它，并試圖進入孔填充它。然而，填充孔的電子在移動時在其后面留下另一個孔。這反過來吸引另一個電子，這反過來又在它后面產(chǎn)生了另一個孔，等等給出了孔通過晶體結(jié)構(gòu)作為正電荷移動的外觀（傳統(tǒng)的電流）。

這種運動孔導(dǎo)致硅中的電子短缺，使整個摻雜晶體成為正極。由于每個雜質(zhì)原子產(chǎn)生一個空穴，三價雜質(zhì)通常被稱為“受體”，因為它們不斷地“接受”額外的或自由的電子。

硼（符號B）通常用作三價添加劑，因為它只有五個電子排列在其核周圍的三個殼中，最外面的軌道只有三個電子。硼原子的摻雜導(dǎo)致傳導(dǎo)主要由正電荷載流子組成，導(dǎo)致P型材料，其中正空穴被稱為“多數(shù)載流子”，而自由電子被稱為“少數(shù)載流子”。 / p>

然后當(dāng)半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料的受主密度大于其供體密度時，將其歸類為P型。因此，P型半導(dǎo)體比電子具有更多的空穴。

硼原子和摻雜

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上圖顯示了受體雜質(zhì)原子硼的結(jié)構(gòu)和晶格。

半導(dǎo)體基礎(chǔ)概要

N型（例如摻雜銻）

這些是具有五價雜質(zhì)原子（供體）的材料，通過“電子”運動添加并傳導(dǎo)，因此被稱為N型半導(dǎo)體。

在N型半導(dǎo)體中有：

1.供體帶正電。

2.有大量的自由電子。

3.與自由電子數(shù)量相關(guān)的少量空穴。

4.Doping給出：

帶正電的供體。

帶負(fù)電的自由電子。

5.能量供應(yīng)給出：

帶負(fù)電的自由電子。

帶正電的空穴。

P型（例如用硼摻雜）

Th ese是添加了三價雜質(zhì)原子（受體）并通過“空穴”運動傳導(dǎo)的材料，因此被稱為P型半導(dǎo)體。

在這些類型的材料中：

1.接收器帶負(fù)電。

2.有大量的孔。

3.與空穴數(shù)量相關(guān)的少量自由電子。

4.Doping給出：

帶負(fù)電的受體。

充電孔。

5.能量供給：

帶正電的空穴。

帶負(fù)電的自由電子。

P和N型作為一個整體，本身是電中性的。

銻（Sb）和硼（B）是兩種最常用的興奮劑，因為與其他類型的材料相比，它們更容易獲得。它們也被歸類為“類金屬”。然而，周期表將許多其他不同的化學(xué)元素組合在一起，在它們最外面的軌道殼中都有三個或五個電子，使它們適合作為摻雜材料。

這些其他化學(xué)元素也可用作硅（Si）或鍺（Ge）基礎(chǔ)材料的摻雜劑，以產(chǎn)生用于電子半導(dǎo)體元件，微處理器和太陽能電池應(yīng)用的不同類型的基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料。下面給出了這些額外的半導(dǎo)體材料。

半導(dǎo)體周期表

外殼中的5電子
（負(fù)電）

在關(guān)于半導(dǎo)體和二極管的下一個教程，我們將考慮加入兩種半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料， P型和 N型材料，形成 PN結(jié)可用于生產(chǎn)二極管。