什么是半導體？

半導體是在導體（通常是金屬）和非導體或絕緣體（如陶瓷）之間具有導電性的材料。半導體可以是砷化鎵等化合物，也可以是鍺或硅等純元素。物理學解釋了管理半導體的理論、特性和數(shù)學方法。

半導體示例：

砷化鎵、鍺和硅是一些最常用的半導體。硅用于電子電路制造，砷化鎵用于太陽能電池、激光二極管等。

半導體中的空穴和電子

空穴和電子是負責半導體中電流流動的電荷載流子類型。空穴（價電子）是帶正電的電荷載體，而電子是帶負電的粒子。電子和空穴的大小相等，但極性相反。

電子和空穴的遷移率

在半導體中，電子的遷移率高于空穴的遷移率。這主要是因為它們的能帶結構和散射機制不同。

電子在導帶中傳播，而空穴在價帶中傳播。當施加電場時，由于其運動受限，空穴不能像電子一樣自由移動。電子從它們的內殼上升到更高的殼導致在半導體中產生空穴。由于與電子相比，空穴受到核的原子力更強，因此空穴的遷移率較低。

如果半導體中粒子的遷移率更高；

• 粒子的有效質量更小

• 散射事件之間的時間更長

對于 300 K 的本征硅，電子的遷移率為 1500 cm 2 (V?s) -1，空穴的遷移率為 475 cm 2 (V?s) -1。

4價硅中電子的鍵模型如下所示。在這里，當一個自由電子（藍點）離開晶格位置時，它會產生一個空穴（灰點）。這樣產生的這個空穴帶走了電子的相反電荷，可以想象成正電荷載體在晶格中移動。

半導體能帶理論

能帶理論的引入發(fā)生在科學的量子革命期間。Walter Heitler 和 Fritz London 發(fā)現(xiàn)了能帶。

我們知道原子中的電子存在于不同的能級。當我們試圖用 N 個原子組裝一個固體晶格時，一個原子的每個能級都必須在固體中分裂成 N 個能級。這種尖銳而緊密的能級分裂形成了能量帶。代表一系列不具有電子的能量的相鄰帶之間的間隙稱為帶隙。

半導體中的導帶和價帶價帶：

涉及價電子能級的能帶稱為價帶。它是最高占據(jù)的能帶。與絕緣體相比，半導體的帶隙更小。它允許價帶中的電子在接收任何外部能量時跳入導帶。

導帶：

它是包括正（空穴）或負（自由電子）電荷載流子能級的最低未占帶。它具有導電電子，導致電流流動。導帶具有高能級并且通常是空的。半導體中的導帶接受來自價帶的電子。

什么是半導體中的費米能級？

費米能級（用 EF 表示）存在于價帶和導帶之間。它是絕對零處的最高占據(jù)分子軌道。這種狀態(tài)下的電荷載流子有自己的量子態(tài)，通常不會相互影響。當溫度升至絕對零以上時，這些電荷載流子將開始占據(jù)費米能級以上的狀態(tài)。

在p 型半導體中，未填充狀態(tài)的密度增加。因此，在較低能級容納更多電子。然而，在n 型半導體中，態(tài)密度增加，因此在更高能級容納更多電子。

半導體的特性

半導體可以在較好的條件或環(huán)境下導電。這種獨特的特性使其成為一種根據(jù)需要以受控方式導電的優(yōu)良材料。

與導體不同，半導體中的電荷載流子僅因外部能量（熱攪動）而產生。它使一定數(shù)量的價電子穿過能隙，跳入導帶，留下等量的未占據(jù)能態(tài)，即空穴。由于電子和空穴的傳導同樣重要。

• 電阻率： 10 -5至 10 6 Ωm

• 電導率： 10 5至 10 -6 mho/m

• 電阻溫度系數(shù)：負

• 電流：由于電子和空穴

為什么半導體的電阻率會隨溫度下降？

導體和半導體之間的電阻率差異是由于它們的電荷載流子密度不同。

半導體的電阻率隨溫度而降低，因為電荷載流子的數(shù)量隨著溫度的升高而迅速增加，使分數(shù)變化，即溫度系數(shù)為負。

半導體的一些重要特性是：

1. 半導體就像零開爾文的絕緣體。隨著溫度的升高，它起到導體的作用。

2. 由于其卓越的電學特性，半導體可以通過摻雜進行改性，以制造適用于能量轉換、開關和放大器的半導體器件。

3. 較小的功率損耗。

4. 半導體尺寸更小，重量更輕。

5. 它們的電阻率高于導體，但低于絕緣體。

6. 半導體材料的電阻隨著溫度的升高而降低，反之亦然。

半導體的種類

半導體可分為：

• 本征半導體

• 非本征半導體

本征半導體

一種本征類型的半導體材料在化學上非常純凈。它僅由一種元素組成。

鍺 (Ge) 和硅 (Si) 是最常見的本征半導體元素類型。它們有四個價電子（四價）。它們在絕對零溫度下通過共價鍵與原子結合。

當溫度升高時，由于碰撞，很少有電子不受約束并可以自由地穿過晶格，從而在其原始位置（空穴）中產生缺失。這些自由電子和空穴有助于半導體中的導電。負電荷載體和正電荷載體的數(shù)量相等。

熱能能夠電離晶格中的幾個原子，因此它們的電導率較低。

不同溫度下純硅半導體的晶格

• 在絕對零開爾文溫度下：在這個溫度下，共價鍵非常強，沒有自由電子，半導體表現(xiàn)為完美的絕緣體。

• 高于絕對溫度：隨著溫度的升高，很少有價電子跳入導帶，因此它表現(xiàn)為不良導體。

本征半導體的能帶圖

本征半導體的能帶圖如下所示：

在本征半導體中，電流由于自由電子和空穴的運動而流動。總電流是由熱產生的電子產生的電子電流 I e和空穴電流 I h之和

總電流 (I) = I e + I h

對于本征半導體，在有限溫度下，電子存在于導帶中的概率隨著帶隙 (Eg )的增加呈指數(shù)下降

n = n 0 e -Eg/2.Kb.T

其中：

• Eg = 能量帶隙

• K b =玻爾茲曼常數(shù)

非本征半導體

通過引入少量合適的稱為雜質的替代原子，可以大大提高半導體的導電性。將雜質原子添加到純半導體中的過程稱為 DOPING。通常，10 7中只有1個原子被摻雜半導體中的摻雜原子取代。非本征半導體可進一步分為：

• N型半導體

• P型半導體

N型半導體

• 主要是由于電子

• 完全中立

• I = I h和 n h >> n e

• 多數(shù)——電子和少數(shù)——空穴

當純半導體（硅或鍺）摻雜五價雜質（P、As、Sb、Bi）時，五個價電子中的四個電子與 Ge 或 Si 的四個電子結合。

摻雜劑的第五個電子被釋放。因此，雜質原子為晶格中的傳導提供了一個自由電子，被稱為“ Donar ”。

由于自由電子的數(shù)量通過添加雜質而增加，因此負電荷載流子增加。因此，它被稱為n型半導體。

晶體作為一個整體是中性的，但供體原子變成了一個不動的正離子。由于傳導是由于大量的自由電子，n型半導體中的電子是主要載流子，而空穴是少數(shù)載流子。

P型半導體

• 主要是因為坑

• 完全中立

• I = I h和 n h >> n e

• 多數(shù)——空穴和少數(shù)——電子

當純半導體摻雜三價雜質（B、Al、In、Ga）時，雜質的三個價電子與半導體的四個價電子中的三個結合。

這使得雜質中沒有電子（空穴）。這些準備接受鍵合電子的雜質原子被稱為“受體”。

隨著雜質數(shù)量的增加，空穴（正電荷載體）增加。因此，它被稱為p型半導體。

晶體整體是中性的，但受體變成了不動的負離子。由于導電是由于大量的空穴，p型半導體中的空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。

本征和非本征半導體之間的區(qū)別

半導體的應用

現(xiàn)在讓我們了解半導體在日常生活中的用途。幾乎所有電子設備都使用半導體。沒有他們，我們的生活會大不相同。

它們的可靠性、緊湊性、低成本和可控的導電性使其非常適合用于各種組件和設備中的各種用途。晶體管、二極管、光電傳感器、微控制器、集成芯片等等都是由半導體制成的。

半導體在日常生活中的用途

• 溫度傳感器由半導體器件制成。

• 它們用于 3D 打印機

• 用于微芯片和自動駕駛汽車

• 用于計算器、太陽能板、電腦等電子設備。

• 在電路中用作開關的晶體管和MOSFET是使用半導體制造的。

半導體的工業(yè)用途

半導體的物理和化學特性使它們能夠設計微芯片、晶體管、LED、太陽能電池等技術奇跡。

用于控制航天器、火車、機器人等運行的微處理器是由半導體材料制造的晶體管和其他控制器件組成的。

半導體的重要性

在這里，我們討論了半導體的一些優(yōu)點，這些優(yōu)點使它們在任何地方都非常有用。

• 由于尺寸更小，它們非常便攜

• 它們需要更少的輸入功率

• 半導體設備是防震的

• 他們有更長的壽命

• 它們在運行時無噪音

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