半导体2025年3月17日 | 阅读20分钟 半导体的导电性介于导体和绝缘体之间。这意味着半导体的导电性不如金属好，但也不如绝缘体差。我们可以通过在半导体的晶体结构中引入杂质来控制其导电性。 半导体的应用包括各种电子设备，例如集成电路 (IC)、二极管和晶体管。半导体的常见例子包括硅和锗。 在这里，我们将讨论以下主题 半导体材料半导体材料在室温下通常是固态的。常用的固体以粉末或多晶形式存在。一些天然存在的结晶材料也存在，例如金刚石。 如今，可以通过人工过程开发晶体。完美的晶体在其结构中是规则的，并且相当难以实现。有时，制造的晶体最终会带有内置缺陷。但有趣的是，缺陷晶体在半导体材料中也有用。 让我们从半导体材料及其性质开始。 在所有类型的半导体材料中，硅、砷、镓和锗是在制造各种半导体器件中最常用的材料。合金材料也常被用作半导体材料。 硅和锗是制造各种器件的基础元素材料。化合物半导体 GaAs 也是一种有用的材料。 考虑下表，它显示了半导体的类型及其示例。
其中， Al - 铝 As - 砷 B - 硼 C - 碳 Cd - 镉 Ga - 镓 Ge - 锗 In - 铟 N - 氮 P - 磷 S - 硫 Sb - 锑 Se - 硒 Si - 硅 Te - 碲 Zn - 锌 以上名称是上表中半导体材料的完整形式。 现在，我们将讨论最常见材料的性质，即硅和锗。 硅硅的原子序数是14，其符号是Si。地壳中硅的含量很大，这使得它能够应用数千年。在1906年，收音机先驱和美国工程师Greenleaf Whittier Pickard发明了第一款硅器件。该器件被称为硅收音机晶体检波器。1954年，美国化学家Morris Tanenbaum在贝尔实验室制造了第一台硅结型晶体管。 大约在1950年代末，锗成为比硅更受欢迎的半导体材料。它也曾被用作制造晶体管的材料。硅在地壳中的纯净形式很少见。 地壳中含量最丰富的元素是氧。其次是硅元素，这意味着硅在地壳中的含量排名第五十。 锗锗 的原子序数是32，其符号是Ge。锗的性能优于硅，因为它具有高载流子迁移率。电子迁移率是半导体的一个性质，它表示在施加电场下电子在半导体中的移动。纯净形式的锗是半导体。 锗的外观与硅相似。锗在地壳中的含量排名第五十。这意味着锗很少以高浓度出现。目前，锗的应用领域包括太阳能电池、LED等。 硅和锗都可以与氧反应形成复杂的氧化物。 半导体历史半导体的历史始于材料、整流器和晶体管的导电性发明。
基于半导体的器件历史在这里，我们将讨论半导体器件的发明。
半导体的能带隙固体材料的原子通过排斥和吸引力结合在一起。它们通过保持原子在特定距离（称为原子间距）来维持平衡。这个距离对于所有类型的固体都是不同的。 下面显示了原子的能级图  这里，K, L, M, N... 是离散能级，它们之间有多个能隙。如所示，两个能级之间的禁带随着我们向上移动而不断减小。这是孤立原子的例子。 现在，让我们考虑固体的情况。 固体中原子的能级基于量子力学。它清楚地解释了固体中的离散能级是紧密间隔的，称为能带。固体中的能带由禁带（Eg）分隔，如下所示  在这里，我们将详细讨论价带和导带。 导带 导带包含大部分空能态。价带中的激发电子跃迁到导带。导带轨道中的电子可以自由移动。电子的移动会产生电流。当电子无法跃迁到导带时，材料就会缺乏导电性。 在给定的能带中，电子可以从一个能态转移到另一个能态。 价带 价带由电子带组成，这些电子在获得能量时会跃迁到导带。带隙是价带和导带之间的能隙，如下所示  现在，让我们清楚地理解半导体中的禁带。我们还将讨论绝缘体和金属的能隙。 在任何固体中，施加的电压都会产生磁场。固体的电子将受到加速。 F = ma 其中， F 是磁场产生的力 a 是加速度 一旦电子移动到更高的能级，电子的能量就会在空能态的情况下开始增加。例如，如果价带中的一些能态（如 4N）已满，那么价带中的电子将没有能量用于移动。在导带中，可用的空能态更多，但没有电子。 让我们考虑0K下的硅。 0K 时施加到硅上的磁场将导致电子不移动，也没有电流。这意味着0K下的硅表现为绝缘体。温度升高会导致电子由于温度升高而增加的热能而移动。一些电子拥有足够的能量可以移动，而一些电子则拥有超过禁带能量 Eg 的额外能量。额外的能量使电子能够跃迁到导带。电子会跃迁到有更多空能态的地方。 我们现在将考虑室温（约300K）下的硅。 在室温下，硅的导带中有相当数量的电子。施加的电场将加速导带中的电子。电子将获得能量并移动到导带中可用的空能态。它们会获得速度并产生少量电流。因此，室温下的硅不是绝缘体。它开始导电，因为有少量电流。 从价带跃迁到导带的电子数量很少。这意味着硅不是良好的导体。因此，硅被称为半导体。 硅的禁带能量为1.1eV。 让我们看另一个例子以更好地理解。 在这里，我们将讨论金刚石在室温下是绝缘体的原因。 金刚石的禁带能量为 5.47eV。在室温下，金刚石价带中的电子无法跃迁到导带。因此，金刚石在室温下被视为绝缘体，而硅是半导体。 然而，在非常高的温度下，金刚石可以变成半导体。 导体的带隙导体中的价带和导带相互重叠。这意味着由于这两个能带的重叠，导体的带隙为 0。导带包含大量的电子。在施加电场时，它允许大量电流流过。 导体的带隙图如下所示  绝缘体的带隙带隙大于 5.0eV 的材料被认为是绝缘体。这通常是室温下的带隙。室温下的电子无法获得足够的能量从价带跃迁到导带。 绝缘体的带隙图如下所示  半导体的带隙带隙小于 3.0eV 的材料被认为是半导体。价电子无法获得足够的能量跃迁到导带并参与电流过程。由于带隙小于绝缘体，一些电子可以参与电流过程。这会导致少量电流流动。因此，半导体的导电性介于导体和绝缘体之间。流行的半导体材料包括硅（1.1 eV）、锗（0.7 eV）和 GaAs（1.43 eV）。 半导体的带隙图如下所示  固体中的键固体中的键可分为离子键、共价键和金属键。离子键和共价键中的电子运动受到限制。金属键中的电子可以自由移动。 让我们简要讨论所有三种键。 离子键原子最外层轨道中的电子转移到另一个原子最外层轨道，以创建稳定的构型。 离子键的特点
共价键在共价键中，相邻原子共享它们的价电子以形成牢固的共价键。这意味着电子不像离子键那样从一个原子转移到另一个原子。 硅（Si）晶体在其原子之间具有共价键。考虑硅原子中的共价键形成，如下所示 共价键的特点
光学性质与离子晶体非常相似。 金属键在金属的情况下，电子与原子松散结合。最外层有一个电子的原子是金属，而最外层有四个电子的原子金属性较弱。类似地，原子最外层有五个（六或七）以上的电子会导致其失去金属特性。 金属键的特点
半导体类型有两种类型的半导体，本征半导体和非本征半导体。 让我们详细讨论一下。 本征半导体我们知道室温下的硅在导带中没有电子。没有晶格缺陷和杂质的半导体称为本征半导体。温度升高会导致电子在获得热能后从价带跃迁到导带。电子的跃迁会在价带中留下一个空穴。因此，在此过程中会产生一个 EHP（电子-空穴对）。 温度升高会产生更多的价带空穴。在某个温度下，价带中的空穴数等于电子数。 本征半导体中的载流子浓度 在 0K 时，本征半导体的导带不包含任何载流子。温度升高会导致电子从价带跃迁到导带。 非本征半导体含有杂质和缺陷的半导体称为非本征半导体。在半导体中引入杂质的过程称为掺杂。掺杂有助于提高半导体的导电性能。它还在禁带中提供额外的能级。 添加能级中的电子非常接近价带和导带，它们可以轻松跃迁到这些能带以增加其数量。一定量的掺杂会增加导带中电子的数量。这种掺杂的半导体称为非本征半导体。 我们可以通过引入杂质或掺杂将本征半导体转换为非本征半导体。 非本征半导体进一步分为 P 型和 N 型半导体。让我们详细讨论上述类型的半导体。 P 型 在 P 型外延半导体中，施加三价杂质。三价意味着掺杂价为3的原子。它通常因其正电荷而提供额外的空穴。三价杂质通常被称为受主杂质。P 型受主的能量级靠近价带，如下所示 例如包括铝和硼。它被称为受主杂质，因为原子由于空位而容易接受邻近原子的电子。P 型半导体中的多数载流子是空穴。这意味着空穴的数量远大于电子的数量。 N 型 在 N 型外延半导体中，施加五价杂质。五价意味着最外层有五个电子的原子。五价杂质通常被称为施主杂质。它被称为施主，因为它与半导体共享一个自由电子。N 型施主的能量级靠近导带。 例如包括砷和磷。N 型半导体中的多数载流子是电子。这意味着电子的数量远大于空穴的数量。 半导体中的载流子半导体的载流子是电子和空穴。电子带负电荷，空穴带正电荷。电子的移动决定了半导体中的电荷流动。但是，这并不意味着空穴不参与导电过程。 少数载流子是指半导体材料中存在的较少数量的载流子。多数载流子表示较多的载流子数量。电荷流动取决于多数载流子。 我们来讨论 P 型和 N 型半导体中的载流子。 P 型半导体中的多数载流子是空穴，而少数载流子是电子。N 型半导体中的多数载流子是电子，而少数载流子是空穴。 半导体掺杂半导体的带隙与导体相比很小。掺杂是将杂质添加到半导体中，这会提高半导体材料的导电性。  添加到半导体材料中的杂质称为掺杂剂。例如，添加砷等五价杂质，通过提供自由电子来提高材料的导电性。掺杂浓度的增加会导致更高的导电性。这是由于存在额外的电荷载流子。 让我们先讨论掺杂对材料的影响。如下所示 硅硅是半导体行业的基本半导体材料。硼和磷是可用于硅的两种重要杂质。 让我们讨论三价掺杂剂（硼）和五价掺杂剂（磷）如何对硅原子进行掺杂。硼和硅的扩散速率很快。 硼 硼被认为是 P 型掺杂，它有三个价电子。这意味着它缺少第四个价电子。硅原子有四个价电子。当硼掺杂到硅中时，会在硅晶格中产生一个空穴。晶格中产生的空穴可以自由移动。因此，形成了 P 型半导体。 磷 磷被认为是 N 型掺杂，它有五个价电子。这意味着它有一个额外的价电子。硅原子有四个价电子。当磷掺杂到硅中时，它会与硅的四个电子形成共价键。多余的电子与硅晶格中的原子不再结合。 因此，形成了 N 型半导体。 掺杂对半导体的影响有两种类型的材料可以进行掺杂。我们知道，对本征材料进行掺杂会形成外延材料。让我们讨论掺杂对外延半导体材料类型的影响。 P 型包含多数载流子空穴。P 型掺杂是指三价杂质的掺杂。 N 型包含多数载流子电子。N 型掺杂是指五价杂质的掺杂。 P 型掺杂剂是硼、镓、铟和铝。硼掺杂在 CMOS（互补金属氧化物半导体）技术中很受欢迎。铝掺杂用于深 P 型扩散。 P 型掺杂剂是锑、锂、砷、铋和磷。锑掺杂因其在埋层中的应用而受到青睐。 砷掺杂在VLSI（超大规模集成电路）中很受欢迎。 其他类型的掺杂剂包括氮、氙、金、铂等。氮掺杂在生长无缺陷硅晶体方面很受欢迎。 半导体的掺杂材料 在这里，我们将讨论不同类型半导体偏好的掺杂材料。 对于硅、锗、金刚石等 IV 族半导体，优选的掺杂材料是三价或受主和施主。受主是 III 族元素。施主是元素周期表中 V 族的元素。 直接和间接半导体这些类型的半导体的跃迁是辐射性的。这意味着直接和间接半导体显示电子从导带跌落到价带，此时它会损失能量。电子从导带到价带的能量损失以对应于带隙能量（Eg）的辐射形式发出。 让我们详细讨论直接和间接半导体。 直接半导体导带正好位于价带上方的半导体称为直接半导体。直接半导体的图如下所示  在上图中，导带能量抛物线的能量最小值正好位于价带能量抛物线的最大值上方。这意味着在这种情况下跃迁是直接的。直接半导体是光学辐射的良好来源。 间接半导体间接半导体的图如下所示  在这种情况下，导带向右移，其最小值具有正值。在这里，电子从导带到价带的跃迁是一个两步过程。它首先找到一个较低的能级（Et）。电子损失能量并达到能级Et。此过程中损失的能量是非辐射性的，并以热量的形式散发。在适当的条件下，处于 Et 能级的电子可能会跌落到价带，释放出光子。间接半导体可用作受控光子辐射器。 混合半导体由直接和间接半导体混合而成的半导体称为混合半导体。 混合型半导体的图如下所示  半导体的复合与载流子产生复合与载流子产生表示电荷载流子的消除和产生。电荷载流子是电子（带负电）和空穴（带正电）。这两个过程是 LED（发光二极管）、光电二极管等不同电子设备的基础。电子在价带（较低能带或能级）和导带之间的跃迁基于电子-空穴对的产生。让我们详细讨论半导体中的复合和载流子产生过程。 载流子产生载流子产生表示电荷载流子的产生。在载流子产生的情况下，电子的跃迁来自价带。 载流子可以通过光与材料的相互作用或施加的电场来产生。它会在半导体材料中产生一对自由载流子。当通过外部源施加足够的能量时，跨越带隙的电子可以被激发。它通过产生额外的电荷载流子来降低材料的电阻。 复合复合表示电荷载流子的消除。电子的跃迁与载流子产生过程中的跃迁相反。这意味着电子的跃迁是从导带（上能带）到价带。 在复合过程中，电子（在电子激发后）从导带跃迁到价带，导致能量以光子的形式释放。释放的光子能量可以小于或大于最初吸收的能量。LED 的发光现象就是基于这样的概念，光子以光的形式释放。 释放的能量可以以热量或光的形式存在。当载流子复合释放的是声子而不是光子时，能量以热量的形式释放。 半导体性质半导体的性质决定了半导体材料的行为。让我们讨论半导体的不同性质。
半导体的优缺点让我们讨论半导体的优缺点。 半导体优点让我们讨论半导体之所以在各种应用中如此受欢迎的优点。它们列于下文
半导体缺点半导体的缺点如下
半导体应用 在固体中使用半导体允许器件在低电压和低功率下运行。因此，大多数电子设备都是使用半导体材料制造的。 让我们详细讨论半导体的各种应用。 二极管这是最简单的电子设备形式，基于半导体。二极管是一种设备，它包含连接的 P 和 N 结。与另一方向相比，它允许电流在一个方向上更容易地移动。这意味着它阻挡一个方向，以便电流可以轻松地通过另一个方向。硅是常用作二极管材料的半导体材料。 集成电路 (IC)集成电路或 IC 用于几乎所有电子设备，如收音机、计算器、传感器、定时器等。IC 由一个薄硅芯片组成，带有晶体管、二极管等电子元件。 LEDLED 也使用半导体材料制造。当电流通过其电路时，它会发光。LED 的应用包括环形灯、手电筒、装饰灯、家用灯泡等。P 型（带正电）和N型（带负电）电子在半导体中的复合是 LED（发光二极管）产生光的原因。 晶体管晶体管由半导体材料制成。它用于开关电流和放大信号。 晶体管用于集成电路、放大器、振荡器、开关等各种设备。 传感器传感器基于半导体材料，用于检测环境中存在的粒子运动。它们总是与其他类型的电子设备集成在一起。传感器的应用包括光学设备、导航系统等。有不同类型的传感器用于不同应用，如运动传感器、温度传感器、压力传感器等。 差异在这里，我们将讨论半导体、导体和绝缘体之间的区别。 半导体 vs. 导体让我们讨论半导体和导体之间的区别。下表列出了它们：
温度系数温度系数可以是负值、正值或零。 负温度系数 它表明温度升高可能导致电阻值降低。 正温度系数 它表明温度升高可能导致电阻值升高。这是由于导电材料中电子的平稳流动。 零温度系数 合金材料可以具有零温度系数。这意味着通过合金化特定的金属，可以获得零温度系数。 半导体 vs. 绝缘体让我们讨论半导体和绝缘体之间的区别。下表列出了它们：
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