基础电子 - 半导体

半导体是电阻率介于导体和绝缘体之间的物质。电阻率的性质并不是决定材料是否为半导体的唯一性质，但它具有以下几个性质。

半导体的电阻率小于绝缘体而大于导体。
半导体具有负温度系数。半导体的电阻随着温度的降低而增加，反之亦然。
当添加合适的金属杂质时，半导体的导电特性会发生变化，这是一个非常重要的特性。

半导体器件广泛应用于电子领域。晶体管取代了笨重的真空管，从而减小了设备的尺寸和成本，并且这场革命不断加快步伐，带来了集成电子产品等新发明。下图显示了半导体的分类。

半导体中的传导

在对电子有了一些了解之后，我们知道最外层的电子是价电子，它们松散地附着在Atomics核上。这样的Atomics具有价电子，当靠近另一个Atomics时，这两个Atomics的价电子结合形成“电子对”。这种键合不是很强，因此它是共价键。

例如，锗Atomics有 32 个电子。第一个轨道有 2 个电子，第二个轨道有 8 个电子，第三个轨道有 18 个电子，最后一个轨道有 4 个电子。这4个电子是锗Atomics的价电子。这些电子倾向于与相邻Atomics的价电子结合，形成电子对，如下图所示。

孔的创建

由于向晶体提供热能，一些电子往往会移出其位置并破坏共价键。这些断裂的共价键产生随机漂移的自由电子。但是移走的电子在后面产生了一个空的空间或价态，称为空穴。

代表缺失电子的空穴可以被视为单位正电荷，而电子被视为单位负电荷。释放的电子随机移动，但当施加一些外部电场时，这些电子沿与施加的场相反的方向移动。但由于缺乏电子而产生的空穴会沿施加场的方向移动。

空穴电流

人们已经知道，当共价键断裂时，就会产生一个孔。实际上，半导体晶体有很强的形成共价键的倾向。因此，晶体中往往不存在空穴。通过下图可以更好地理解这一点，该图显示了半导体晶格。

当电子从位置A移动时，形成空穴。由于形成共价键的趋势，电子从 B 转移到 A。现在，再次为了平衡 B 处的共价键，电子从 C 转移到 B。这继续构建一条路径。在没有施加场的情况下，孔的这种运动是随机的。但当施加电场时，空穴沿着施加的场漂移，这就构成了空穴电流。这被称为空穴电流而不是电子电流，因为空穴的移动贡献了电流。

电子和空穴在随机运动时可能会彼此相遇，形成对。这种重组导致热量释放，从而破坏另一个共价键。当温度升高时，电子和空穴的产生速率增加，复合速率增加，导致电子和空穴的密度增加。结果，半导体的电导率增加，电阻率降低，这意味着负温度系数。

本征半导体

极其纯净的半导体被称为本征半导体。这种纯半导体的特性如下 -

电子和空穴仅由热激发产生。
自由电子的数量等于空穴的数量。
室温下导电能力较小。

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非本征半导体。

兴奋剂

向半导体材料添加杂质的过程称为掺杂。添加的杂质通常是五价和三价杂质。

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Atomics被称为施主Atomics，因为它向纯半导体Atomics的导带提供一个电子。

三价杂质

三价杂质是在最外层轨道具有三个价电子的杂质。示例：镓、铟、铝、硼
三价Atomics被称为受体Atomics，因为它接受来自半导体Atomics的一个电子。

外来半导体

通过掺杂纯半导体而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

在纯半导体中添加少量五价杂质，形成N型非本征半导体。添加的杂质具有5个价电子。

例如，如果将砷Atomics添加到锗Atomics中，则四个价电子与GeAtomics结合，而一个电子保留为自由电子。如下图所示。

所有这些自由电子构成电子流。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，由于传导是通过电子进行的，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，因此电子呈电中性。
当向添加有五价杂质的N型半导体施加电场时，自由电子向正极移动。这称为负电导率或 N 型电导率。

P型非本征半导体

在纯半导体中添加少量三价杂质，形成P型非本征半导体。添加的杂质具有3个价电子。例如，如果将硼Atomics添加到锗Atomics中，则三个价电子与GeAtomics结合，形成三个共价键。但是，锗中还有一个电子未形成任何键。由于硼中没有留下形成共价键的电子，因此该空间被视为空穴。如下图所示。

当添加少量硼杂质时，会提供许多有助于导电的孔。所有这些空穴构成空穴电流。

在P型非本征半导体中，由于传导是通过空穴进行的，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被称为受主的空穴，因为它们接受来自锗Atomics的电子。
由于移动空穴的数量保持等于受主的数量，因此 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。

为什么半导体首选硅？

在锗、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)。由于多种原因，硅优于锗，例如 -

能带隙为 0.7ev，而锗为 0.2ev。
热对产生较小。
SiO2 层对于硅来说很容易形成，这有助于许多组件的制造以及集成技术。
Si 在自然界中比 Ge 更容易找到。
由 Si 制成的元件的噪声比由 Ge 制成的元件低。

因此，硅用于制造许多电子元件，这些电子元件用于制造用于各种目的的不同电路。这些组件具有各自的属性和特定的用途。

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