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电子学中的百科书-本质半导体与杂质半导体

2021-12-14 17:11
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我们都知道:为加入其他杂质元素的半导体称为纯半导体,也就是本质半导体或叫做本征半导体。

常见的本质半导体有:硅(SI)、锗(GE)、以及砷化镓(GAAS),其中半导体是具有负温度系数的特性,也就是温度越低,其电阻越大而温度越高,其电阻越小。

这和我们常常说的半导体器件具有温漂,所说的温漂就是半导体器件会随着温度的改变其特性会发生变化,变化最大的就是其电阻值,那么这几个常见的半导体温度变化的曲线一样吗?

不一样!如果一样,就不会出现锗二极管的淘汰随后的硅半导体的应用。那么来看一下这个图:如图所示:

image.png

来分析一下,我们以300K为标准,其往右温度越高,可以发现温度越高其EV的值是处于下降的趋势,也就是说温度越高的话半导体电阻特性的电阻值会降低,这也就是为什么一个半导体在一个环境中虽然我们的电压、电流甚至电路的设计都是非常完美的,如果没有考虑其使用的环境,那么这个电路是不可能长期稳定的。反过来想想是不是温度越高,半导体的导电能力就越好,虽然会出现一些极端的情况,但是给一个合适的温度,这个器件就会展现出他应该有的特性,这也就是为什么所以芯片规格书在温度值中会给一个常温25度。


这是关于半导体的温度的特性,说到底本征半导体如果不掺杂其他元素的话,本征半导体是不会导电的,也就是不具有导电能力,或者说导电能力微弱。但这仅仅是理论,没有数学的依据。


下面介绍一个定律:即质量作用定律

Ni=n*p

其中ni为本质浓度

     N为电子浓度

     P为电洞浓度也叫作空穴浓度

那么在本质半导体中其电子浓度与电洞浓度是相等的,也就是说没有电势差,没有电势差就没有电压,没有电压的形成的半导体就不具有其导电能力。


既然这样,我们就为其加入其他的元素,但加入之前,需要明白,当掺入杂质后其半导体就分为N型半导体与P型半导体。当然这是后话,下面讨论一下掺杂。


首先给出定义:加入其他杂质元素的半导体叫做掺杂,其被掺杂的半导体叫做杂质半导体又叫做外质半导体。

其掺杂工艺为:

        以硅二极管为例,其掺杂比例为1:108,即每108的硅原子或锗原子,掺杂一个五价元素或三价元素以增加其导电性。

下面以P型半导为例:

首先,P型半导体的形成是掺入三价元素而形成的,常用的三价元素有:硼、铝、镓等

image.png

当掺入三价元素后,中间会形成共价键,就是三价元素周围的紫色的轨道上面,总共有8个电子进行掺杂,但是掺入的是一个三价元素而本质半导体是一个四价元素,所以会形成一个空穴。当然这个一个半导体所形成的图形,如果有N个P型半导体。image.png

其多个空穴会吸引电子来做移动,继而形成所谓的电洞流,继而形成电流

那么从共价键的图中可以看出,其空穴为多数载流子,而电子少一个即为少数载流子。就是所,多子为空穴,少子为电子的半导体叫做P型半导体。

 

这里还有一点,如果多数载流子是空穴的话,那么P型半导体所对应的极性,这里以二极管为例,其所对应的极性就为正极。因为正极为电子,而负极为空穴。


   当然这是下一节二极管的基础知识,这里略讲一下。

好了,既然了解了P型半导体,那么我们就来看一下N型半导体,首先,N型半导体掺杂的元素为5价元素,其常用的五价元素有,磷、砷、锑等。

当然如果根据P型半导体的思路,其本质半导体为四价元素,当掺入一个五价元素后,其会形成一个多余的电子,而这个多余的电子叫做自由电子,所以N型半导体为多数载流子为电子,而少数载流子为空穴,也就是所电流在物理层面是从负极流向正极。如图所示:

image.png

这是关于本质半导体与杂质半导体的掺杂和P型半导体与N型半导体的区别,及利用基本半导体物理学的角度分析。

那么当我们将这两个半导体进行结合,会出现什么样的物理现象,或者是一个半导体电子电路的课程研究,也就是在讨论这两个半导体结合后的物理现象及对电压、电流的一些控制和他本身的控制方法。

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