什么是半导体？

半导体是在导体（通常是金属）和非导体或绝缘体（如陶瓷）之间具有导电性的材料。半导体可以是砷化镓等化合物，也可以是锗或硅等纯元素。物理学解释了管理半导体的理论、特性和数学方法。

半导体示例：

砷化镓、锗和硅是一些最常用的半导体。硅用于电子电路制造，砷化镓用于太阳能电池、激光二极管等。

半导体中的空穴和电子

空穴和电子是负责半导体中电流流动的电荷载流子类型。空穴（价电子）是带正电的电荷载体，而电子是带负电的粒子。电子和空穴的大小相等，但极性相反。

电子和空穴的迁移率

在半导体中，电子的迁移率高于空穴的迁移率。这主要是因为它们的能带结构和散射机制不同。

电子在导带中传播，而空穴在价带中传播。当施加电场时，由于其运动受限，空穴不能像电子一样自由移动。电子从它们的内壳上升到更高的壳导致在半导体中产生空穴。由于与电子相比，空穴受到核的原子力更强，因此空穴的迁移率较低。

如果半导体中粒子的迁移率更高；

• 粒子的有效质量更小

• 散射事件之间的时间更长

对于 300 K 的本征硅，电子的迁移率为 1500 cm 2 (V∙s) -1，空穴的迁移率为 475 cm 2 (V∙s) -1。

4价硅中电子的键模型如下所示。在这里，当一个自由电子（蓝点）离开晶格位置时，它会产生一个空穴（灰点）。这样产生的这个空穴带走了电子的相反电荷，可以想象成正电荷载体在晶格中移动。

半导体能带理论

能带理论的引入发生在科学的量子革命期间。Walter Heitler 和 Fritz London 发现了能带。

我们知道原子中的电子存在于不同的能级。当我们试图用 N 个原子组装一个固体晶格时，一个原子的每个能级都必须在固体中分裂成 N 个能级。这种尖锐而紧密的能级分裂形成了能量带。代表一系列不具有电子的能量的相邻带之间的间隙称为带隙。

半导体中的导带和价带价带：

涉及价电子能级的能带称为价带。它是最高占据的能带。与绝缘体相比，半导体的带隙更小。它允许价带中的电子在接收任何外部能量时跳入导带。

导带：

它是包括正（空穴）或负（自由电子）电荷载流子能级的最低未占带。它具有导电电子，导致电流流动。导带具有高能级并且通常是空的。半导体中的导带接受来自价带的电子。

什么是半导体中的费米能级？

费米能级（用 EF 表示）存在于价带和导带之间。它是绝对零处的最高占据分子轨道。这种状态下的电荷载流子有自己的量子态，通常不会相互影响。当温度升至绝对零以上时，这些电荷载流子将开始占据费米能级以上的状态。

在p 型半导体中，未填充状态的密度增加。因此，在较低能级容纳更多电子。然而，在n 型半导体中，态密度增加，因此在更高能级容纳更多电子。

半导体的特性

半导体可以在较好的条件或环境下导电。这种独特的特性使其成为一种根据需要以受控方式导电的优良材料。

与导体不同，半导体中的电荷载流子仅因外部能量（热搅动）而产生。它使一定数量的价电子穿过能隙，跳入导带，留下等量的未占据能态，即空穴。由于电子和空穴的传导同样重要。

• 电阻率： 10 -5至 10 6 Ωm

• 电导率： 10 5至 10 -6 mho/m

• 电阻温度系数：负

• 电流：由于电子和空穴

为什么半导体的电阻率会随温度下降？

导体和半导体之间的电阻率差异是由于它们的电荷载流子密度不同。

半导体的电阻率随温度而降低，因为电荷载流子的数量随着温度的升高而迅速增加，使分数变化，即温度系数为负。

半导体的一些重要特性是：

1. 半导体就像零开尔文的绝缘体。随着温度的升高，它起到导体的作用。

2. 由于其卓越的电学特性，半导体可以通过掺杂进行改性，以制造适用于能量转换、开关和放大器的半导体器件。

3. 较小的功率损耗。

4. 半导体尺寸更小，重量更轻。

5. 它们的电阻率高于导体，但低于绝缘体。

6. 半导体材料的电阻随着温度的升高而降低，反之亦然。

半导体的种类

半导体可分为：

• 本征半导体

• 非本征半导体

本征半导体

一种本征类型的半导体材料在化学上非常纯净。它仅由一种元素组成。

锗 (Ge) 和硅 (Si) 是最常见的本征半导体元素类型。它们有四个价电子（四价）。它们在绝对零温度下通过共价键与原子结合。

当温度升高时，由于碰撞，很少有电子不受约束并可以自由地穿过晶格，从而在其原始位置（空穴）中产生缺失。这些自由电子和空穴有助于半导体中的导电。负电荷载体和正电荷载体的数量相等。

热能能够电离晶格中的几个原子，因此它们的电导率较低。

不同温度下纯硅半导体的晶格

• 在绝对零开尔文温度下：在这个温度下，共价键非常强，没有自由电子，半导体表现为完美的绝缘体。

• 高于绝对温度：随着温度的升高，很少有价电子跳入导带，因此它表现为不良导体。

本征半导体的能带图

本征半导体的能带图如下所示：

在本征半导体中，电流由于自由电子和空穴的运动而流动。总电流是由热产生的电子产生的电子电流 I e和空穴电流 I h之和

总电流 (I) = I e + I h

对于本征半导体，在有限温度下，电子存在于导带中的概率随着带隙 (Eg )的增加呈指数下降

n = n 0 e -Eg/2.Kb.T

其中：

• Eg = 能量带隙

• K b =玻尔兹曼常数

非本征半导体

通过引入少量合适的称为杂质的替代原子，可以大大提高半导体的导电性。将杂质原子添加到纯半导体中的过程称为 DOPING。通常，10 7中只有1个原子被掺杂半导体中的掺杂原子取代。非本征半导体可进一步分为：

• N型半导体

• P型半导体

N型半导体

• 主要是由于电子

• 完全中立

• I = I h和 n h >> n e

• 多数——电子和少数——空穴

当纯半导体（硅或锗）掺杂五价杂质（P、As、Sb、Bi）时，五个价电子中的四个电子与 Ge 或 Si 的四个电子结合。

掺杂剂的第五个电子被释放。因此，杂质原子为晶格中的传导提供了一个自由电子，被称为“ Donar ”。

由于自由电子的数量通过添加杂质而增加，因此负电荷载流子增加。因此，它被称为n型半导体。

晶体作为一个整体是中性的，但供体原子变成了一个不动的正离子。由于传导是由于大量的自由电子，n型半导体中的电子是主要载流子，而空穴是少数载流子。

P型半导体

• 主要是因为坑

• 完全中立

• I = I h和 n h >> n e

• 多数——空穴和少数——电子

当纯半导体掺杂三价杂质（B、Al、In、Ga）时，杂质的三个价电子与半导体的四个价电子中的三个结合。

这使得杂质中没有电子（空穴）。这些准备接受键合电子的杂质原子被称为“受体”。

随着杂质数量的增加，空穴（正电荷载体）增加。因此，它被称为p型半导体。

晶体整体是中性的，但受体变成了不动的负离子。由于导电是由于大量的空穴，p型半导体中的空穴是多数载流子，电子是少数载流子。

本征和非本征半导体之间的区别

半导体的应用

现在让我们了解半导体在日常生活中的用途。几乎所有电子设备都使用半导体。没有他们，我们的生活会大不相同。

它们的可靠性、紧凑性、低成本和可控的导电性使其非常适合用于各种组件和设备中的各种用途。晶体管、二极管、光电传感器、微控制器、集成芯片等等都是由半导体制成的。

半导体在日常生活中的用途

• 温度传感器由半导体器件制成。

• 它们用于 3D 打印机

• 用于微芯片和自动驾驶汽车

• 用于计算器、太阳能板、电脑等电子设备。

• 在电路中用作开关的晶体管和MOSFET是使用半导体制造的。

半导体的工业用途

半导体的物理和化学特性使它们能够设计微芯片、晶体管、LED、太阳能电池等技术奇迹。

用于控制航天器、火车、机器人等运行的微处理器是由半导体材料制造的晶体管和其他控制器件组成的。

半导体的重要性

在这里，我们讨论了半导体的一些优点，这些优点使它们在任何地方都非常有用。

• 由于尺寸更小，它们非常便携

• 它们需要更少的输入功率

• 半导体设备是防震的

• 他们有更长的寿命

• 它们在运行时无噪音

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