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  电子电路基础 - 半导体

  • 简述

    半导体是一种电阻率介于导体和绝缘体之间的物质。电阻率的特性并不是决定材料作为半导体的唯一特性，但它具有以下几个特性。
    • 半导体的电阻率低于绝缘体，高于导体。
    • 半导体具有负温度系数。半导体中的电阻随着温度的降低而增加，反之亦然。
    • 半导体的导电特性在加入适当的金属杂质后会发生变化，这是一个非常重要的特性。
    半导体器件广泛用于电子领域。晶体管已经取代了笨重的真空管，从而降低了设备的尺寸和成本，这场革命不断加快步伐，催生了集成电子等新发明。下图显示了半导体的分类。
    半导体分类

  • 半导体中的传导

    在对电子有了一些了解之后，我们才知道最外层的壳层有价电子，它们松散地附着在原子核上。这样的原子，当靠近另一个原子时具有价电子，这两个原子的价电子结合形成“电子对”。这种结合不是很牢固，因此它是共价键。
    例如，一个锗原子有 32 个电子。第一轨道2个电子，第二轨道8个，第三轨道18个，最后一个轨道4个。这4个电子是锗原子的价电子。这些电子倾向于与相邻原子的价电子结合，形成电子对，如下图所示。
    传导

  • 创建孔

    由于提供给晶体的热能，一些电子往往会移出它们的位置并破坏共价键。这些断裂的共价键导致自由电子随机游走。但是被移走的电子在后面产生了一个空的空间或价，这被称为空穴。
    这个代表缺失电子的空穴可以被认为是单位正电荷，而电子被认为是单位负电荷。释放的电子随机移动，但当施加一些外部电场时，这些电子的移动方向与施加的电场相反。但是由于没有电子而产生的空穴会在施加场的方向上移动。

  • 空穴电流

    众所周知，当共价键断裂时，就会产生一个空洞。实际上，半导体晶体有很强的形成共价键的趋势。因此，晶体中往往不会存在孔。下图可以更好地理解这一点，显示了一个半导体晶格。
    空穴电流
    一个电子，当从位置 A 移动时，就会形成一个空穴。由于形成共价键的趋势，电子从 B 转移到 A。现在，再次平衡 B 处的共价键，电子从 C 转移到 B。这继续建立路径。在没有外加场的情况下，空穴的这种移动是随机的。但是当施加电场时，空穴沿着施加的电场漂移，这构成了空穴电流。这被称为空穴电流而不是电子电流，因为空穴的运动有助于电流流动。
    电子和空穴在随机运动时可能会相遇，形成对。这种重组导致热量释放，从而破坏了另一个共价键。当温度升高时，电子和空穴的产生率增加，从而复合率增加，从而导致电子和空穴的密度增加。结果，半导体的电导率增加而电阻率降低，这意味着负温度系数。

  • 本征半导体

    极纯形式的半导体被称为本征半导体。这种纯半导体的特性如下 -
    • 电子和空穴完全由热激发产生。
    • 自由电子数等于空穴数。
    • 常温下导电能力小。
    为了增加本征半导体的导电能力，最好添加一些杂质。这种添加杂质的过程称为掺杂。现在，这种掺杂的本征半导体被称为外在半导体。

    兴奋剂

    将杂质添加到半导体材料中的过程称为掺杂。添加的杂质一般为五价和三价杂质。
    五价杂质
    • 五价杂质是在最外层轨道上具有五个价电子的杂质。例如：铋、锑、砷、磷
    • 五价原子被称为施主原子，因为它给纯半导体原子的导带提供一个电子。
    三价杂质
    • 三价杂质是在最外层轨道上具有三个价电子的杂质。示例：镓、铟、铝、硼
    • 三价原子被称为受体原子，因为它接受来自半导体原子的一个电子。

  • 外在半导体

    通过掺杂纯半导体形成的不纯半导体称为非本征半导体。根据添加的杂质类型，有两种类型的非本征半导体。它们是N型非本征半导体和P型非本征半导体。

    N型非本征半导体

    在纯半导体中加入少量五价杂质，形成N型非本征半导体。添加的杂质有5个价电子。
    例如，如果将砷原子添加到锗原子中，则有四个价电子与 Ge 原子相连，而一个电子仍为自由电子。如下图所示。
    N型非本征半导体
    所有这些自由电子构成电子电流。因此，当添加到纯半导体中时，杂质会提供用于传导的电子。
    • 在N型非本征半导体中，由于通过电子进行传导，因此电子是多数载流子，空穴是少数载流子。
    • 由于没有添加正电荷或负电荷，因此电子是电中性的。
    • 当向添加了五价杂质的 N 型半导体施加电场时，自由电子向正极移动。这被称为负导电性或 N 型导电性。

    P型非本征半导体

    将少量三价杂质添加到纯半导体中，形成 P 型非本征半导体。添加的杂质有 3 个价电子。例如，如果将硼原子添加到锗原子上，则三个价电子会与锗原子相连，形成三个共价键。但是，锗中还有一个电子没有形成任何键。由于硼中没有剩余电子形成共价键，因此该空间被视为空穴。如下图所示。
    P型非本征半导体
    当添加少量硼杂质时，会提供许多有助于导电的空穴。所有这些空穴构成空穴电流。
    • 在 P 型非本征半导体中，由于通过空穴进行传导，因此空穴是多数载流子，而电子是少数载流子。
    • 这里添加的杂质提供了称为受体的空穴，因为它们接受来自锗原子的电子。
    • 由于移动空穴的数量保持等于受体的数量，P 型半导体保持电中性。
    • 当向添加了三价杂质的 P 型半导体施加电场时，空穴向负极移动，但速度比电子慢。这称为 P 型导电性。
    • 在这种 P 型导电性中，价电子从一个共价键移动到另一个共价键，这与 N 型不同。

    为什么在半导体中首选硅？

    在锗和硅等半导体材料中，广泛用于制造各种电子元件的材料是硅（Si）。由于许多原因，硅比锗更受欢迎，例如 -
    • 能带隙为 0.7ev，而锗为 0.2ev。
    • 热对产生较小。
    • SiO2层的形成对于硅来说很容易，这有助于制造许多组件以及集成技术。
    • Si 比 Ge 更容易在自然界中找到。
    • 由 Si 组成的组件中的噪声比 Ge 中的小。
    因此，硅被用于制造许多电子元件，这些电子元件用于制造用于各种用途的不同电路。这些组件具有单独的属性和特定用途。
    主要电子元件包括——电阻器、可变电阻器、电容器、可变电容器、电感器、二极管、隧道二极管、变容二极管、晶体管、BJT、UJT、FET、MOSFET、LDR、LED、太阳能电池、热敏电阻、压敏电阻、变压器、开关、继电器等
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