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半导体基础:材料与器件

2020年5月24日通过罗伯特Keim
本视频教程讨论半导体的基本概念,并介绍我们用来把半导体变成有用的电子元件的技术。
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在本视频教程中,我们将讨论半导体材料以及它们如何成为有用的电子元件——即通过半导体掺杂。

什么是半导体?

半导体一词已经和在二十世纪下半叶迅速改变人类生活的复杂电子技术联系在一起。然而,就其本身而言,半导体是相当普通的:它只是一种表现出中等导电性的材料——也就是说,它的导电性不如导体,但比绝缘体导电性强。

热能使价电子脱离半导体的晶格结构,从而成为“自由”电子。这些移动电子在外加电场作用下可以移动的电荷剩下的自由电子起着移动的作用积极的指控。电子和空穴都参与半导体电流的流动,半导体的电学性质受到材料中自由电子和空穴的数量的影响。

左边的图解表示半导体的规则晶格,右边的图解包括一个电子-空穴对。

普通的未经修饰的半导体不能提供很多有用的电子功能。将半导体转变为技术革命手段的第一步被称为兴奋剂

半导体掺杂

我们可以通过向晶格结构中注入其他材料来控制半导体中载流子的数量。更具体地说,我们注入的物质有不同数量的价电子。

假设我们的半导体是硅(Si),它是第IV族元素,因此有4个价电子。如上图所示,硅原子通过共价键结合成规则的晶格结构。像磷(P)这样的V族元素有5个价电子,如果我们把磷注入硅中,每个注入的原子都会把一个自由电子引入半导体晶格:

掺杂V族元素会引入自由电子。

在这种情况下,磷的作用是a掺杂剂硅就变成了n型半导体它通过掺杂获得了额外的自由电子,当施加电场时,电流主要是由于带有负电荷的电子。因此,在n型半导体中,电子是多数航空公司洞是少数运营商

另一方面,如果我们掺入第三族元素,如硼(B),每个掺杂原子将引入一个额外的空穴。这把硅变成了ap型半导体例如空穴比自由电子多,电流的流动主要是由于正电荷的移动。因此,在p型半导体中,空穴是大多数载流子,电子是少数载流子。

掺杂III族元素会引入孔洞。

注入元素并不是掺杂过程中唯一的变量。我们也可以控制掺杂剂的浓度,这反过来影响半导体的电行为。当半导体含有浓度相对较高的掺杂原子时,我们称之为严重掺杂。如果它含有相对较低浓度的掺杂剂原子,它就是轻掺杂。例如,将在以后的教程中讨论的场效应晶体管,在源极和漏极区使用高度掺杂的硅。

结论

如果目标是创造有用的电子元件,掺杂材料本身并不比原来的半导体好到哪里去。然而,当我们将n型半导体与p型半导体相邻放置时,一切都改变了。这个结构,称为pn结,是下一个教程的主题。