半导体基础知识概况总结

电子电路和电路中有两种类型的半导体元件。它们是有源和无源元件。二极管是最重要的有源元件，电阻器是电子设计电路中最重要的无源元件。二极管本质上是具有指数关系的单向器件，电流-电压特性由半导体材料制成。

电子产品中使用的三种必要材料是绝缘体、半导体和导体，这些材料按电现象分类。电阻率也称为电阻，是衡量材料拒绝电流流过它的效率的指标。

电阻率的质量单位是欧姆表 [Ω m]。具有低电阻率的材料表明电荷在整个半导体中的有效移动。

半导体是电阻率值介于绝缘体和导体之间的材料。这些材料既不是智能绝缘体也不是智能导体。它们只有几个自由电子，因为它们的原子以极其结晶的形式紧密结合，被称为“晶格”。半导体样品是硅和锗。

半导体在电子电路和集成器件的制造中具有很高的重要性。通过改变制造过程中的温度和掺杂浓度，可以很容易地改变半导体的导电性。通过向晶格中添加一定数量的杂质，产生比空穴更多的自由电子，半导体材料的导电能力显着提高。

通过向其中添加少量杂质，半导体材料的特性会发生很大变化。通过在硅晶格中掺入杂质原子来改变电子和空穴之间平衡的过程称为掺杂。这些杂质原子被称为掺杂剂。基于所掺入的掺杂材料的类型，半导体晶体分为两种类型，特别是n型半导体和p型半导体。

V族元素如磷、锑和砷通常被归类为N型杂质。这些元素有五个价电子。当N型杂质掺杂到硅晶体中时，五个价电子中的四个与相邻的晶体原子形成四个强共价键，留下一个自由电子。

同样，每个 N 型杂质原子都会在导带中产生一个自由电子，如果对材料施加电位，该自由电子将漂移以传导电流。N 型半导体也可以称为施主。

硼、铝、镓和铟等 III 族元素通常被归类为 P 型杂质。这些元素具有三个价电子。当P型杂质掺杂到硅晶体中时，所有三个价电子都与相邻的晶体原子形成三个强共价键。

缺乏形成第四个共价键的电子，这种缺陷称为空穴。同样，每个 P 型杂质原子都会在价带中产生一个空穴，如果对材料施加电位，该空穴将漂移以传导电流。P 型半导体也可以称为受体。

每种材料的一个特性特性有助于根据它们传导电流的能力来比较不同的材料，这被称为电阻率。电阻率可以通过将电线的电阻 R 乘以横截面积 A 除以电线的长度 L 来近似计算。

电导率，即电阻率的倒数，共同表征了材料允许电流通过它们的程度。敏感导体具有最低的电阻率和高电导率。电阻率很大程度上取决于材料中是否存在杂质原子以及材料的温度，即室温（20ºC）。

对于各种导体、半导体和绝缘体，电阻率值随温度变化呈线性变化。每摄氏度温度变化的电阻变化称为电阻温度系数。该因子由字母“alpha” (α) 表示。

材料的正温度系数意味着其电阻随着温度的升高而增加。纯导体通常具有正的电阻温度系数。材料的负系数意味着它的电阻随着温度的升高而降低。

半导体材料（碳、硅和锗）通常具有负温度系数的电阻。下表给出了不同材料及其电阻率值和温度系数。

半导体具有介于绝缘体和导体之间的电气特性。完美半导体的智能示例是硅 (Si)、锗 (Ge) 和砷化镓 (GaAs)。这些元素在形成晶格的母原子结构中只有少数电子。

硅是基本的半导体材料，在外壳内包含四个价电子，与四个相邻的硅原子形成四个强共价键，因此每个原子与相邻原子共享一个电子，从而形成一个强共价键。硅原子以晶格形式组织，形成晶体结构。

通过向半导体提供外部电势并将杂质掺杂剂结合到半导体晶体中从而产生带正电和带负电的空穴，用硅半导体晶体传导电流是可行的。

硅原子有 14 个电子；然而，轨道排列只有 4 个价电子由替代原子共享。这些价电子在光伏效应中起着至关重要的作用。大量的硅原子结合在一起形成晶体结构。

在这种结构中，每个硅原子与其相邻的硅原子共享其四个价电子中的一个。由五个硅原子组成的规则系列单元组成的固体硅晶体。硅原子的这种规则和固定排列的单元称为晶格。

将磷、砷和锑等杂质添加到硅晶体结构中，将本征半导体转变为非本征半导体。这些杂质原子被称为五价杂质，因为最外层的五个价电子与相邻原子共享自由电子。

五价杂质原子也被称为施主，因为杂质原子中的五个价电子与硅的四个价电子形成四个共价键，留下一个自由电子。每个杂质原子在导带内产生一个自由电子。一旦对 N 型半导体施加正电位，剩余的自由电子就会形​​成漂移以产生电流。

N 型半导体是比本征半导体材料更好的导体。N型半导体中的多数载流子是电子，少数载流子是空穴。N型半导体不带负电荷，因为施主杂质原子的负电荷与原子核内的正电荷平衡。

对电流流动的主要贡献是带负电的电子，尽管由于电子-空穴对，带正电的空穴有一定的贡献。

如果将第 5 族元素，例如锑杂质添加到硅晶体中，则锑原子通过将锑的价电子与硅最外壳内的价电子键合，与四个硅原子建立四个共价键，留下一个自由电子。因此，杂质原子向结构提供了一个自由电子，因此这些杂质被称为施主原子。

硼、铝和铟等 3 族元素是对硅晶体结构的补充，在最外壳内只有三个电子，形成三个闭合的共价键，在共价键结构中留下空穴，因此在价带中留下空穴能级图。

当存在电子缺陷时，这种作用会在晶体结构中留下大量带正电的载流子，称为空穴。这些第 3 族元素称为三价杂质原子。

大量空穴的存在吸引了相邻的电子进入其中。只要电子填充了硅晶体中的空穴，当它远离它时，电子后面就会有新的空穴。新产生的空穴成功地吸引电子，产生其他新空穴导致空穴运动，在半导体中产生标准电流。

硅晶体中空穴的运动似乎把硅晶体当作正极。只要杂质原子总是产生空穴，第 3 族元素就被称为受体，因为杂质原子不断地接受自由电子。

硅晶体中第 3 族元素的掺杂导致了 P 型半导体。在这种 P 型半导体中，空穴是多数电荷载流子，电子是少数电荷载流子。

如果在半导体晶体中添加硼、镓、铟等第3族元素，则具有三个价电子的杂质原子与硅晶体的价电子形成三个强共价键，留下一个空位。这种空位称为空穴，由于没有负电荷，它用一个小圆圈或正号图解表示。

N型材料是通过将第5族元素（五价杂质原子）添加到半导体晶体中并通过电子运动传导电流而形成的材料类型。

P型材料是在固体晶体中添加第3族元素（三价杂质原子）时形成的一类材料。在这些半导体中，电流主要来自空穴。

p型和N型本身都是电神经的，因为由于电子-空穴对，传导电流所需的电子和空穴的贡献是相等的。硼（B）和锑（Sb）都被称为准金属，因为它们是本征半导体最常用的掺杂剂，以提高导电性。