什么是半導體?
簡單的說導電性能處於導體和絕緣體之間的物質屬於半導體,例如硅、鍺、砷化鎵和一些硫化物和氧化物。
那為什么這些物質就是半導體呢?
這是由於它們的電子結構決定的。例如硅和鍺的電子結構如圖。
它們的最外層電子數是4,處於相對穩定的狀態。而其它最外層電子數小於4或大於4要么導電性能太強要么太差。
那同樣最外層電子數是4的其它元素呢?例如C和Sn。
雖然鍺和硅的最外層電子數都是4但是從圖中可以看出硅的電子層數比鍺少一層。那么如果再少一層也就是元素周期表中上一個周期的碳呢?碳的最外層電子離原子核太近、太過穩定所以不適合做成半導體。而鍺的下一周期的錫又離原子核太遠太不穩定也不適合做半導體。所以單質半導體只能是硅或鍺。當然半導體也可以由是其它的化合物制成,例如砷化鎵。
半導體有哪些分類?
半導體按組成元素可分為本征半導體和雜質半導體。
本征半導體就是純凈的半導體,也就是由單質組成,例如硅和鍺。
以硅為例,每個硅原子和周圍的四個硅原子通過共價鍵(如圖),因為共價鍵有很強的結合力,使每個硅原子緊密規則的組合在一起形成穩定的結構。在絕對0度(T=0)和沒有外界激發的情況下,最外層電子幾乎是無法脫離共價鍵的,也就是說在絕對0度和沒有外界激發的條件下本征半導體相當於絕緣體。
但是當溫度升高或者有光照的情況下,部分最外層電子會獲得熱能或光能變得活躍,從而能擺脫共價鍵的束縛,形成自由電子。而當有電子擺脫了共價鍵的束縛后電子原來的那個位置就空了出來,我們把這個空位稱為空穴。因為這個硅原子失去了電子,所以我們可以認為這個空穴帶正電。因為它帶正電,它就會吸引經過它附近的電子填補這個位置,而既然它吸引到一個電子,說明有別的地方也產生了空穴。而別的空穴同樣也會吸引附近的電子。這樣就形成了電子移動。也就有了導電能力。
由以上內容可以看出本征半導體的導電能力取決於自由電子和空穴的濃度,我們把自由電子和空穴都稱為載流子,另外因為每產生一個自由電子自然留下一個空穴,所以說自由電子和空穴是成對出現的。我們把這種通過外界刺激產生載流子的現象稱為本征激發。但是本征激發出來的載流子的數量是很少的,而且受於溫度高低和光照強度影響。
所以本征半導體的特點是:導電能力差,具有熱敏和光敏效應。
雜質半導體就是在本征半導體中摻入雜質。
通過對本征半導體的說明我們知道本征半導體的導電能力取決於載流子的濃度。那么如果我們想增強半導體的導電能力我們就可以想辦法增加載流子的濃度。也就是改變自由電子和空穴的數量。
那么載流子的濃度怎么改變呢?
如果想增加自由電子的濃度我們可以在硅晶體中摻入5價的元素,例如磷。例如如果加入5價的磷以后磷最外層的5個電子與4價的硅形成共價鍵之后還剩下一個電子。這樣自由電子的數量就增加了。我們把摻入5價元素的雜質半導體稱為N型半導體(電子半導體)。因為N型半導體同樣還會由於溫度或光照的原因產生自由電子和空穴,而N型半導體中因為自由電子的數量遠大於空穴,所以在N型半導體中自由電子被稱為多子,空穴稱為少子。
同樣,如果想增加空穴的濃度我們可以在硅晶體中摻入3價的元素,例如硼。例如如果加入3價的硼以后硼最外層的3個電子與4價的硅形成共價鍵之后會產生一個空穴。這樣空穴的數量就增加了。我們把摻入3價元素的雜質半導體稱為P型半導體(空穴半導體)。因為P型半導體同樣還會由於溫度或光照的原因產生自由電子和空穴,而P型半導體中因為空穴的數量遠大於自由電子,所以在P型半導體中空穴是多子,自由電子是少子。