基礎電子學 - 半導體

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半導體是一種電阻率介於導體和絕緣體之間的物質。電阻率特性並非決定一種物質是否為半導體的唯一因素，它還具有以下一些特性。

• 半導體的電阻率小於絕緣體，大於導體。

• 半導體具有負溫度係數。半導體的電阻隨溫度降低而增加，反之亦然。

• 當向半導體中新增合適的金屬雜質時，其導電特性會發生變化，這是一個非常重要的特性。

半導體器件廣泛應用於電子領域。電晶體已經取代了笨重的真空管，從而降低了器件的尺寸和成本，這一革命不斷加速，導致了整合電子等新發明。下圖顯示了半導體的分類。

半導體的導電性

瞭解電子後，我們知道最外層電子殼層有價電子，它們與原子核的結合比較鬆散。當具有價電子的原子靠近另一個原子時，這兩個原子的價電子結合形成“電子對”。這種鍵合併不很強，因此它是一種共價鍵。

例如，鍺原子有32個電子。第一軌道上有2個電子，第二軌道上有8個電子，第三軌道上有18個電子，而最後一軌道上有4個電子。這4個電子是鍺原子的價電子。這些電子傾向於與相鄰原子的價電子結合，形成電子對，如下圖所示。

空穴的產生

由於晶體吸收的熱能，一些電子傾向於離開其位置並破壞共價鍵。這些斷裂的共價鍵導致自由電子隨機遊動。但是，移走的電子會在後面留下一個空位或價電子空位，這被稱為空穴。

這個空穴代表一個缺失的電子，可以看作是一個單位正電荷，而電子則被認為是一個單位負電荷。釋放的電子隨機移動，但是當施加外部電場時，這些電子會沿與電場相反的方向移動。但是，由於電子缺失而產生的空穴會沿電場方向移動。

空穴電流

我們已經瞭解到，當共價鍵斷裂時，就會產生空穴。實際上，半導體晶體有很強的形成共價鍵的趨勢。因此，空穴不傾向於存在於晶體中。這可以透過下圖更好地理解，該圖顯示了半導體晶體晶格。

當電子從A處移動時，就會形成一個空穴。由於形成共價鍵的趨勢，B處的電子會移動到A處。現在，為了平衡B處的共價鍵，C處的電子會移動到B處。這會繼續形成一條路徑。空穴在沒有外加電場的情況下移動是隨機的。但是當施加電場時，空穴會沿電場方向漂移，構成空穴電流。這被稱為空穴電流，而不是電子電流，因為空穴的移動導致電流流動。

電子和空穴在隨機運動中可能會相遇，形成電子-空穴對。這種複合會釋放熱量，從而破壞另一個共價鍵。當溫度升高時，電子和空穴的產生速率增加，因此複合速率增加，導致電子和空穴的密度增加。結果，半導體的電導率增加，電阻率降低，這意味著負溫度係數。

本徵半導體

處於極其純淨狀態的半導體被稱為本徵半導體。這種純半導體的特性如下：

• 電子和空穴完全由熱激發產生。
• 自由電子的數量等於空穴的數量。
• 在室溫下的導電能力較小。

為了提高本徵半導體的導電能力，最好新增一些雜質。這種新增雜質的過程稱為摻雜。現在，這種摻雜的本徵半導體被稱為外延半導體。

摻雜

向半導體材料中新增雜質的過程稱為摻雜。新增的雜質通常是五價和三價雜質。

五價雜質

• 五價雜質是指在外層軌道上有五個價電子的雜質。例如：鉍、銻、砷、磷

• 五價原子被稱為施主原子，因為它向純半導體原子的導帶提供一個電子。

三價雜質

• 三價雜質是指在外層軌道上有三個價電子的雜質。例如：鎵、銦、鋁、硼

• 三價原子被稱為受主原子，因為它從半導體原子接受一個電子。

外延半導體

透過摻雜純半導體形成的雜質半導體稱為外延半導體。根據新增的雜質型別，外延半導體有兩種型別：N型外延半導體和P型外延半導體。

N型外延半導體

向純半導體中新增少量五價雜質即可得到N型外延半導體。新增的雜質有5個價電子。

例如，如果將砷原子新增到鍺原子中，四個價電子與Ge原子結合，而一個電子則作為自由電子存在。如下圖所示。

所有這些自由電子構成電子電流。因此，當雜質新增到純半導體中時，它會提供用於導電的電子。

• 在N型外延半導體中，由於導電是透過電子進行的，因此電子是多數載流子，空穴是少數載流子。

• 由於沒有新增正電荷或負電荷，因此電子電中性。

• 當向添加了五價雜質的N型半導體施加電場時，自由電子會向正極移動。這被稱為負型或N型導電性。

P型外延半導體

向純半導體中新增少量三價雜質即可得到P型外延半導體。新增的雜質有3個價電子。例如，如果將硼原子新增到鍺原子中，三個價電子與Ge原子結合，形成三個共價鍵。但是，鍺中的另一個電子沒有形成任何鍵。由於硼中沒有剩餘電子形成共價鍵，因此該空間被視為空穴。如下圖所示。

少量新增的硼雜質會提供許多有助於導電的空穴。所有這些空穴構成空穴電流。

• 在P型外延半導體中，由於導電是透過空穴進行的，因此空穴是多數載流子，電子是少數載流子。

• 此處新增的雜質提供空穴，這些空穴被稱為受主，因為它們從鍺原子接受電子。

• 由於可移動空穴的數量等於受主原子的數量，因此P型半導體保持電中性。

• 當向添加了三價雜質的P型半導體施加電場時，空穴會向負極移動，但速度比電子慢。這被稱為P型導電性。

• 在這種P型導電性中，價電子從一個共價鍵移動到另一個共價鍵，這與N型不同。

為什麼矽在半導體中更受歡迎？

在鍺和矽等半導體材料中，廣泛用於製造各種電子元件的材料是矽(Si)。矽優於鍺的原因有很多，例如：

• 能帶隙為0.7ev，而鍺為0.2ev。

• 熱激發產生的電子-空穴對較少。

• 矽易於形成SiO2層，這有助於製造許多元件以及整合技術。

• 矽在自然界中比鍺更容易找到。

• 由矽製成的元件的噪聲比鍺製成的元件小。

因此，矽被用於製造許多電子元件，這些元件被用於製造用於各種用途的不同電路。這些元件具有各自的特性和特定的用途。

主要的電子元件包括——電阻器、可變電阻器、電容器、可變電容器、電感器、二極體、隧道二極體、變容二極體、電晶體、BJT、UJT、FET、MOSFET、光敏電阻、LED、太陽能電池、熱敏電阻、壓敏電阻、變壓器、開關、繼電器等。