半導體基礎知識點

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，二極管相對于施加的電壓不表現為線性，因為它具有指數IV關系，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體器件，其僅允許電流僅在一個方向上流過它們，更像單向電子閥（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體的基本結構和概念。

二極管由單片半導體材料制成，其一端具有正“P區”而另一端具有負“N區”，并且其電阻率值介于導體和絕緣體之間。但什么是“半導體”材料呢？首先讓我們來看看導電器或絕緣體是什么。

抵抗力

電性的電氣或電子部件或裝置的通常被定義為是通過它的電流流過它，基本的電壓差的比率Ohm's法主體。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），其電阻值將減小。因此，我們希望能夠以這樣的方式定義材料，以指示其能夠導致或反對通過它的電流流動，無論其大小或形狀如何。

用于表示這種特定阻力的數量稱為電阻率，并給出希臘符號ρ，（Rho）。電阻率以歐姆 - 米（Ω.m）為單位測量。電阻率與電導率成反比。

如果比較各種材料的電阻率，它們可以分為三個主要類別，導體，絕緣體和半導體，如下所示。

電阻率圖

請注意，導體的電阻率（如銀和金）之間的差距非常小，而玻璃和石英之間的絕緣體的電阻率要大得多。

電阻率的這種差異部分地歸因于它們的環境溫度，因為金屬是比絕緣體更好的導熱體。

導線

從上面我們現在知道導體是具有非常低的電阻率值的材料，通常是每米微歐姆。這個低值允許它們容易地傳遞電流，因為在它們的基本原子結構內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體，而某些東西就是電壓。

當向材料施加正電壓電勢時，這些“自由電子”離開它們的母原子并一起穿過材料形成電子漂移，通常稱為電流。這些電子如何“自由地”穿過導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體具有的電阻率。

良導體的實例通常是金屬，例如銅，鋁，銀或非金屬，例如碳，因為這些材料在其外部“價殼”或環中具有非常少的電子，導致它們容易被撞出原子的軌道。

電纜圖—使用導體和絕緣體

這允許它們在材料中自由流動直到它們與其他原子結合，從而通過材料產生“多米諾效應”，從而產生電流。銅和鋁是電纜中使用的主要導體，如圖所示。

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

雖然銅和鋁等金屬是非常好的電導體，但它們仍然對電子流動具有一定的抵抗力，因此不能完美地導電。

在通過電流的過程中損失的能量以熱的形式出現，這是導體尤其是電阻器隨著導體的電阻率隨環境溫度增加而變熱的原因。

絕緣子

另一方面，絕緣體與導體完全相反。它們由通常為非金屬的材料制成，這些材料在其基本原子結構內漂浮很少或沒有“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勢，沒有電流會流動，因為沒有“自由電子”可以移動，這使得這些材料具有絕緣性屬性。

絕緣體還具有非常高的電阻，每米數百萬歐姆，并且通常不受正常溫度變化的影響（盡管在非常高的溫度下，木材變成木炭并且從絕緣體變為導體）。良好絕緣子的例子有大理石，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，電路會短路并且不起作用。例如，由玻璃或瓷制成的絕緣體用于絕緣和支撐架空傳輸電纜，而環氧玻璃樹脂材料用于制造印刷電路板，PCB等，而PVC用于絕緣電纜，如圖所示。

半導體基礎知識

諸如硅（Si），鍺（Ge）和砷化鎵（GaAs）的半導體材料在中間的某處具有電特性，在“導體”和“絕緣體”之間。它們不是良導體，也不是良好的絕緣體（因此它們的名稱是“半導體”）。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，但電子仍能夠流動，但只能在特殊條件下。

通過向該晶體結構中替換或添加某些供體或受體原子，可以極大地改善半導體導電的能力，從而產生比空穴更多的自由電子，反之亦然。這是通過向基礎材料中添加一小部分另一種元素，硅或鍺。

在他們自己的硅和鍺被歸類為內在半導體，即它們是化學純的，只包含半導體材料。但是通過控制添加到該本征半導體材料中的雜質的量，可以控制其導電性。可以將稱為施主或受主的各種雜質添加到該本征材料中以分別產生自由電子或空穴。

將供體或受體原子添加到半導體原子（半導體中每1千萬（或更多）個原子的1個雜質原子的順序）的這種過程稱為摻雜。由于摻雜的硅不再是純的，這些供體和受體原子統稱為“雜質”，通過摻雜足夠數量的雜質，我們可以將它變成N型或P型。半導體材料。

迄今為止最常用的半導體基礎材料是硅。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的結構使得每個原子與其相鄰的原子共享一個電子，使得鍵非常穩定。

由于可用于在硅晶體周圍移動的自由電子非常少，因此純硅（或鍺）的晶體是良好的絕緣體，或者至少是非常高值的電阻器。

硅原子以確定的對稱圖案排列，使其成為結晶固體結構。純二氧化硅（二氧化硅或玻璃）晶體通常被認為是固有晶體（它沒有雜質），因此沒有自由電子。

但是簡單地將硅晶體連接到電池電源不足以從中提取電流。為此，我們需要在硅中產生“正”和“負”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而產生的。

硅原子結構

硅原子結構圖

上圖顯示了硅的“正常”純晶體的結構和晶格。

N型半導體基礎知識

為了使我們的硅晶體導電，我們需要在晶體結構中引入諸如砷，銻或磷的雜質原子，使其成為外在的（添加雜質）。這些原子在其最外側軌道中具有五個外部電子以與相鄰原子共享，并且通常被稱為“五價”雜質。

這允許五個軌道電子中的四個與其相鄰的硅原子鍵合，留下一個“自由電子”在施加電壓時（電子流）變得可移動。當每個雜質原子“貢獻”一個電子時，五價原子通常稱為“供體”。

銻（符號Sb）以及磷（符號P）經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。得到的半導體基礎材料具有過量的載流電子，每個都帶有負電荷，因此被稱為N型材料，其中電子被稱為“多數載流子”，而得到的空穴被稱為“少數載流子”。

當被外部電源刺激時，通過該刺激從硅原子釋放的電子很快被摻雜的銻原子可用的自由電子取代。但是這個動作仍然留下一個額外的電子（自由電子）漂浮在摻雜晶體周圍，使其帶負電。

然后，當半導體材料的施主密度大于其受主密度時，半導體材料被歸類為N型，換句話說，它具有比空穴更多的電子，從而產生如圖所示的負極。

銻原子和興奮劑

銻原子結構圖

上圖顯示了供體雜質原子銻的結構和晶格。

P型半導體基礎知識

如果我們走另一條路，并在晶體結構中引入“三價”（3電子）雜質，例如鋁，硼或銦，它們的最外層軌道只有三個價電子，第四個封閉鍵不能形成。因此，不可能完全連接，為半導體材料提供大量帶正電的載流子，稱為晶體結構中的空穴，其中電子有效地缺失。

由于硅晶體中現在有一個孔，相鄰的電子被吸引到它上面，并試圖進入孔中填充它。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，該電子又在其后面產生另一個孔，等等給出了孔通過晶體結構作為正電荷移動的外觀（傳統的電流）。

孔的這種移動導致硅中的電子短缺，使整個摻雜晶體成為正極。當每個雜質原子產生空穴時，三價雜質通常被稱為“ 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。硼原子的摻雜導致傳導主要由正電荷載流子組成，導致具有正空穴的P型材料被稱為“多數載流子”，而自由電子被稱為“少數載流子”。

然后，當半導體基礎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型半導體具有比電子更多的空穴。

硼原子和興奮劑

硼原子結構圖

上圖顯示了受體雜質原子硼的結構和晶格。

半導體基礎摘要

N型（例如摻銻）

這些是通過“電子”運動添加和導電的五價雜質原子（供體）的材料，因此被稱為N型半導體。

在N型半導體中有：

1.捐助者是積極的。

2.有大量的自由電子。

3.與自由電子數量有關的少量空穴。

4.興奮劑給出：

積極的捐助者。

帶負電的自由電子。

5.能源供應給出：

帶負電的自由電子。

帶正電的孔。

P型（例如摻硼）

這些是通過“空穴”運動添加和導電的三價雜質原子（受體）的材料，因此稱為P型半導體。

在這些類型的材料是：

1.受理人是負面的。

2.有很多洞。

3.與空穴數量有關的少量自由電子。

4.興奮劑給出：

負面的接受者。

帶正電的孔。

5.能源供應給出：

帶正電的孔。

帶負電的自由電子。

P和N型作為一個整體，它們本身是電中性的。

銻（Sb）和硼（B）是兩種最常用的摻雜劑，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。

這些其他化學元素也可以用作硅（Si）或鍺（Ge）的基礎材料的摻雜劑，以產生用于電子半導體元件，微處理器和太陽能電池應用的不同類型的基礎半導體材料。這些附加的半導體材料如下。

半導體周期表

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