半导体的潜在物理过程

“半导体”一词已经与在20世纪下半叶迅速改变人类生活的尖端电子技术联系在一起。

一、什么是半导体？

“半导体”一词已经与在20世纪下半叶迅速改变人类生活的尖端电子技术联系在一起。但是，就其本身而言，半导体并不那么引人注目：它只是一种具有中等导电性的材料-也就是说，它的导电性比导体小，但比绝缘体大。

热能使价电子脱离半导体的晶格结构，从而变成“自由”电子。这些移动电子是可以在施加的电场的影响下移动的负电荷，这些自由电子留下的空穴起移动正电荷的作用。电子和空穴都参与半导体电流，并且半导体中的电学性质受材料中存在的自由电子和空穴的数量影响。

左图表示半导体的规则晶格，右图包括电子-空穴对。

普通的未经修饰的半导体无法提供有用的电子功能。将半导体转变为技术革命手段的第一步称为掺杂。

二、半导体掺杂

我们可以通过将其他材料注入晶格结构来控制半导体中载流子的数量。更具体地说，我们注入具有不同价电子数量的材料。

假设我们的半导体是硅（Si），它是IV组元素，因此具有四个价电子。如上图所示，硅原子通过共价键结合成规则的晶格结构。诸如磷（P）之类的V组元素具有五个价电子，如果我们向硅中注入磷，则每个注入的原子都会向半导体的晶格中引入一个自由电子：

用V族元素掺杂会引入自由电子。 

在这种情况下，磷起掺杂剂的作用，而硅成为n型半导体：它通过掺杂获得了额外的自由电子，并且在施加电场时，电流将主要归因于具有负电荷的电子。因此，在n型半导体中，电子是多数载流子，而空穴是少数载流子。

另一方面，如果我们用III族元素（例如硼（B））掺杂，则每个掺杂原子都会引入一个额外的空穴。这将硅变成了p型半导体：空穴的数量超过了自由电子的数量，电流的流动将主要归因于正电荷的运动。因此，在p型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。

用III族元素掺杂会引入空穴。 

注入元素并不是掺杂过程中唯一的变量。我们还可以控制掺杂剂浓度，从而影响半导体的电性能。当半导体包含相对较高浓度的掺杂原子时，我们称其为重掺杂。如果它包含相对较低浓度的掺杂剂原子，则将其轻掺杂。例如，场效应晶体管将重掺杂硅用作源极和漏极区域。   

如果目标是制造有用的电子组件，那么掺杂材料本身并没有比原始半导体更好。但是，当我们将n型半导体与p型半导体相邻放置时，一切都会改变，此结构称为pn结。

三、pn结和半导体二极管

当我们专注于半导体操作的物理学时，我们使用术语pn结；当我们专注于电路设计时，我们使用二极管一词。但是它们本质上是同一回事：一个基本的半导体二极管是一个带有导电端子的pn结。首先，让我们看一下图，然后，我们将简要探讨这个极为重要的电路元件的行为。

左边的实心圆是空穴，右边的实心圆是电子。该耗尽区由已经与从n型半导体（这些重组孔由圆圈负号表示）和电子已经与从p型半导体（由带圆圈的正号表示）空穴重新结合的自由电子再结合孔。该复合导致耗尽区的p型部分带负电，并且耗尽区的n型部分带正电。

在p型和n型材料的接合处电荷的分离会导致电位差，称为接触电位。在硅pn结二极管中，接触电势约为0.6V。如上图所示，该电势的极性与我们预期的相反：在n型侧为正，而在负极为负在p型一侧。

电流可以通过扩散流过结-由于结两部分的电荷载流子浓度不同，一些来自p型材料的空穴将扩散到n型材料中，而一些来自n型电子型材料将扩散到p型材料中。然而，由于接触电势对该扩散电流起阻挡作用，因此几乎没有电流流动。此时，我们将开始使用术语势垒电压代替接触电势。

四、正向和反向偏置

如果我们将二极管连接到电池，使得电池的电压与势垒电压具有相同的极性，则结点将被反向偏置。由于我们正在增加势垒电压，因此扩散电流进一步受到阻碍。 

施加反向偏置电压会使结的耗尽区变宽。

另一方面，如果我们将电池的正极端子连接到二极管的p型侧，而负极端子连接到n型侧，则我们正在降低势垒电压，从而促进电荷载流子在结上的扩散。但是，在我们克服势垒电压并完全耗尽耗尽区之前，电流量将保持相当低的水平。这在施加的电压等于势垒电压时发生，并且在这些正向偏置条件下，电流开始自由流过二极管。 

五、二极管作为电路组件

前面的讨论揭示了产生硅二极管电行为的两个最突出特征的潜在物理过程。 

首先，当以反向偏压极性施加电压时，pn结阻止电流流动，而当以正偏压极性施加电压时，pn结允许电流流动。这就是为什么二极管可以用作电流的单向阀的原因。

其次，当施加的正向偏置电压接近势垒电压时，流过二极管的电流呈指数增长。这种指数电压-电流关系使正向偏置二极管的电压降保持相当稳定，如下图所示。

二极管的工作量可以近似为一个恒定的电压降，因为电流的大增加对应于很小的电压增加。

下图阐明了二极管的物理结构，其电路符号以及我们用于其两个端子的名称之间的关系。施加正向偏置电压会使电流沿蓝色箭头方向流动。