半导体基础知识盘点

如果电阻是电气或电子电路中最基本的无源元件，那么我们必须将信号二极管视为最基本的有源元件。

然而，与电阻器不同，二极管相对于所施加的电压并不表现为线性，因为它具有指数IV关系，因此不能像我们对电阻器那样简单地使用欧姆定律来描述。

二极管是基本的单向半导体器件，它只允许电流仅在一个方向上流过它们，更像是单向电动阀（正向偏置条件）。但是，在我们了解信号或功率二极管如何工作之前，我们首先需要了解半导体的基本结构和概念。

二极管由单片半导体材料制成其一端具有正“P区”而另一端具有负“N区”，并且其电阻率值介于导体和绝缘体之间。但什么是“半导体”材料？首先让我们来看看是什么使得导体或绝缘体。

电阻率

电气或电子元件或器件的电阻通常定义为其上的电压差与流过它的电流之比，基本欧姆定律。使用电阻作为测量的问题在于，它很大程度上取决于被测材料的物理尺寸以及制造它的材料。例如，如果我们要增加材料的长度（使其更长），其阻力也会按比例增加。

同样，如果我们增加其直径或尺寸（使其更厚），其阻力值将减少。因此，我们希望能够以这样一种方式定义材料，以表明它能够传导或反对通过它的电流，无论它的大小或形状如何。

用于表示此特定阻力的数量称为电阻率，并且给出希腊符号ρ，（ Rho ）。电阻率以欧姆 - 米（Ω.m）测量。电阻率与电导率成反比。

如果比较各种材料的电阻率，它们可分为三个主要类别，导体，绝缘体和半导体，如下所示。

电阻率图

导体

从上面我们现在知道导体是具有非常低的电阻率值的材料，通常以微欧姆为单位仪表。这个低值允许它们容易地传递电流，因为在它们的基本原子结构内有大量自由电子漂浮。但是，如果有东西刺激它们的运动，这些电子只会流过导体，而某些东西就是电压。

当正电压电位施加到材料上时，这些“自由电子”离开它们母原子和通过材料一起行进形成电子漂移，通常称为电流。这些电子如何“自由地”穿过导体取决于在施加电压时它们能够轻易地脱离其组成原子。然后流动的电子量取决于导体的电阻率。

良导体的例子通常是金属，如铜，铝，银或非金属，如碳，因为这些材料很少电子在它们的外部“价壳”或环中，导致它们很容易被撞出原子的轨道。

这允许它们在材料中自由流动直到它们加入与其他原子一起，通过材料产生“多米诺效应”，从而产生电流。如图所示，铜和铝是电缆中使用的主要导体。

一般来说，大多数金属都是良好的电导体，因为它们具有非常小的电阻值，通常在每米微欧姆的范围内，（μΩ.m）。

虽然铜和铝等金属是非常好的电导体，但它们仍然对电子流动有一定的阻力，因此不能完美地传导。

在通过电流过程中损失的能量以热量的形式出现，这就是导体特别是电阻随着导体电阻率随环境温度升高而变热的原因。

绝缘体

绝缘体另一方面与导体完全相反。它们由通常为非金属的材料制成，在其基本原子结构中漂浮很少或没有“自由电子”，因为外部价壳中的电子被带正电的内核强烈吸引。

换句话说，电子粘在母原子上并且不能自由移动，所以如果向材料施加电位电压，没有电流会流动，因为没有“自由电子”可以移动，这给了这些材料具有绝缘性能。

绝缘体也具有很高的电阻，每米数百万欧姆，并且通常不受常温变化的影响（尽管在非常高的温度下，木材变成木炭，从绝缘体变为导体）。良好的绝缘体的例子是大理石，熔融石英，PVC塑料，橡胶等。

绝缘体在电气和电子电路中起着非常重要的作用，因为没有它们，电路会短路而不能工作。例如，玻璃或瓷制绝缘子用于绝缘和支撑架空传输电缆，而环氧玻璃树脂材料用于制造印刷电路板，PCB等，而PVC则用于绝缘电缆，如图所示。

半导体基础

半导体材料，如硅（Si），锗（Ge）和砷化镓（GaAs），在中间某处具有电性能，介于两者之间“导体”和“绝缘体”。它们不是良导体，也不是良好的绝缘体（因此它们的名称是“半导体”）。它们只有很少的“自由电子”，因为它们的原子紧密地组合在一起称为“晶格”的晶体模式，但电子仍然能够流动，但仅在特殊条件下。

半导体的能力通过向该晶体结构中取代或添加某些供体或受体原子可以大大改善导电性，从而产生比空穴更多的自由电子，反之亦然。这是通过在基材上添加一小部分另一种元素，硅或锗。

在它们自己的硅和锗上被归类为内在半导体，即它们是化学纯的，只包含半成品 - 导电材料。但是通过控制添加到该本征半导体材料中的杂质的量，可以控制其导电性。可以在该本征材料中加入各种称为施主或受主的杂质，分别产生自由电子或空穴。

将供体或受体原子加入半导体原子的过程（每1000万个杂质原子的数量级）或更多）半导体原子被称为掺杂。由于掺杂的硅不再是纯的，这些供体和受体原子统称为“杂质”，通过掺杂足够数量的杂质，我们可以将它变成N型或P型。半导体材料。

迄今为止最常用的半导体基础材料是硅。硅在其最外层壳中具有四个价电子，它与其相邻的硅原子共享，形成八个电子的完整轨道。两个硅原子之间的键合结构使得每个原子与其相邻的原子共享一个电子，使得键非常稳定。

因为很少有自由电子可以在硅晶体周围移动，晶体因此，纯硅（或锗）是良好的绝缘体，或者至少是非常高值的电阻器。

硅原子以一定的对称图案排列，使它们成为结晶的固体结构。纯二氧化硅（二氧化硅或玻璃）晶体通常被认为是一种固有晶体（它没有杂质），因此没有自由电子。

但是简单地将硅晶体连接到电池供电是不足以从中提取电流。为此，我们需要在硅中产生“正”和“负”极点，从而允许电子并因此电流流出硅。这些极点是通过在硅中掺杂某些杂质而产生的。

硅原子结构

上图显示了硅的“正常”纯晶体的结构和晶格。

N型半导体基础

为了使我们的硅晶体导电，我们需要将诸如砷，锑或磷的杂质原子引入晶体结构中，使其成为外在的（添加杂质）。这些原子在其最外侧轨道上有五个外部电子与相邻原子共享，通常被称为“五价”杂质。

这使得五个轨道电子中的四个能够与其相邻的硅原子键合，留下一个“自由电子“在施加电压时变得可移动（电子流动）。由于每个杂质原子“贡献”一个电子，五价原子通常称为“供体”。

锑（符号Sb）以及磷（符号P）经常用作硅的五价添加剂。锑有51个电子排列在其核周围的五个壳中，最外面的轨道有五个电子。得到的半导体基础材料具有过量的载流电子，每个都带有负电荷，因此被称为N型材料，其电子称为“多数载流子”，而得到的空穴当被外部电源激发时，通过这种刺激从硅原子中释放的电子很快被掺杂的锑原子中的自由电子所取代。但是这种作用仍然会在掺杂晶体周围留下一个额外的电子（自由电子），使其带负电。

然后，当半导体材料的供体密度大于其受主密度时，半导体材料被归类为N型。换句话说，它比空穴有更多的电子，从而产生负极，如图所示。

锑原子和兴奋剂

上图显示了供体杂质原子锑的结构和晶格。

P型半导体基础

如果我们走另一条路，并在晶体结构中引入“三价”（3电子）杂质，如铝，硼或铟，它们只有在其最外侧轨道中可获得三个价电子，不能形成第四个闭合键。因此，不可能完全连接，为半导体材料提供大量带正电的载流子，称为晶体结构中的空穴，其中电子有效地缺失。

因为硅中现在有一个空穴晶体，一个相邻的电子被吸引到它，并试图进入孔填充它。然而，填充孔的电子在移动时在其后面留下另一个孔。这反过来吸引另一个电子，这反过来又在它后面产生了另一个孔，等等给出了孔通过晶体结构作为正电荷移动的外观（传统的电流）。

这种运动孔导致硅中的电子短缺，使整个掺杂晶体成为正极。由于每个杂质原子产生一个空穴，三价杂质通常被称为“受体”，因为它们不断地“接受”额外的或自由的电子。

硼（符号B）通常用作三价添加剂，因为它只有五个电子排列在其核周围的三个壳中，最外面的轨道只有三个电子。硼原子的掺杂导致传导主要由正电荷载流子组成，导致P型材料，其中正空穴被称为“多数载流子”，而自由电子被称为“少数载流子”。 / p>

然后当半导体基础材料的受主密度大于其供体密度时，将其归类为P型。因此，P型半导体比电子具有更多的空穴。

硼原子和掺杂

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上图显示了受体杂质原子硼的结构和晶格。

半导体基础概要

N型（例如掺杂锑）

这些是具有五价杂质原子（供体）的材料，通过“电子”运动添加并传导，因此被称为N型半导体。

在N型半导体中有：

1.供体带正电。

2.有大量的自由电子。

3.与自由电子数量相关的少量空穴。

4.Doping给出：

带正电的供体。

带负电的自由电子。

5.能量供应给出：

带负电的自由电子。

带正电的空穴。

P型（例如用硼掺杂）

Th ese是添加了三价杂质原子（受体）并通过“空穴”运动传导的材料，因此被称为P型半导体。

在这些类型的材料中：

1.接收器带负电。

2.有大量的孔。

3.与空穴数量相关的少量自由电子。

4.Doping给出：

带负电的受体。

充电孔。

5.能量供给：

带正电的空穴。

带负电的自由电子。

P和N型作为一个整体，本身是电中性的。

锑（Sb）和硼（B）是两种最常用的兴奋剂，因为与其他类型的材料相比，它们更容易获得。它们也被归类为“类金属”。然而，周期表将许多其他不同的化学元素组合在一起，在它们最外面的轨道壳中都有三个或五个电子，使它们适合作为掺杂材料。

这些其他化学元素也可用作硅（Si）或锗（Ge）基础材料的掺杂剂，以产生用于电子半导体元件，微处理器和太阳能电池应用的不同类型的基础半导体材料。下面给出了这些额外的半导体材料。

半导体周期表

外壳中的5电子
（负电）

在关于半导体和二极管的下一个教程，我们将考虑加入两种半导体基础材料， P型和 N型材料，形成 PN结可用于生产二极管。