带你了解半导体结构

一、导体
1、导体原子结构
铜是良导体,其原子结构如图1所示,第一层有两个电子,第二层有八个电子,第三层有18个电子,最外层只有一个电子。

 

图1：铜原子结构图
2、价带与核心
原子最外层的电子轨道称为价格带轨道，他决定原子的电特性，简化铜原子内部，参照图2，称为核心。
图2：通原子的核心

 

3、自由电子
原子核与价电子之间的吸引力很小，外力很容易从铜原子中获得电子，这就是价电子常被称为自由电子的原因，也是铜是良导体的原因最好的导体是铜、银、金，他们都可以用图2的核心图表示。

 

二、半导体
最好的导体有一个价电子，最好的绝缘体有八个价电子，半导体介于导体和半导体之间，最好的半导体有四个价电子。

 

1、锗半导体
早期的半导体器件使用了唯一的材料，但锗半导体有致命的缺陷，反向电流过大，硅半导体的实用化不断发展，大部分器件开始用硅制造！锗应用的很少了。

 

2、硅半导体
硅是地球上除氧以外最丰富的元素，硅的早期净化技术制约了硅的应用，在净化技术突破之后，硅成为半导体的主要材料。

 

三、硅晶体
硅原子结合成固体时，他们排列具有规律性，称为硅晶体。
1、共价键
2、价带饱和
硅原子的价带轨道上有8个电子，8个电子的稳定结构使得硅形成了一个稳定的固体。没有人知道原子的外轨道为什么趋向于8个电子。如果一个元素的外层没有8个电子，那么这个元素必然与其他元素共享电子，达到8个电子。

 

3、空穴
在一定的温度下，硅晶体在形成自由电子的同时形成空穴，即空穴和电子对。

 

4、复合与寿命
在纯硅中，电子和空穴结合，引起电子和空穴的消失，称为复合，在一定条件下，产生的电子和空穴的复合速度保持平衡，即电子和空穴的浓度保持在稳定水平。

 

四、本征半导体
固有半导体是纯半导体，如果晶体中的每一个原子都是硅原子，它就称为硅固有半导体。

 

1、自由电子的流动
假设本征半导体中只有一个空穴和一个电子，图7中的电子从右向左移动，形成电子的流动，同时带有正电极的吸引和负电极场的抑制。

 

图7：电子和空穴的移动
2、空穴的流动
空穴与a重新结合，a点形成新的空穴，a空穴捕捉新的电子，形成新的空穴，空穴按ABCDEF的顺序移动，好像正电荷在移动。

 

五、两种电流
在本证明半导体中，在施加电压下，形成了2种相同大小、相反方向的电流，如图8所示。注意:在半导体之外，即导体中没有空穴流动。

 

六、半导体掺杂
提高半导体电导能力的方法是掺杂以增加电子或空穴的浓度。

 

1、增加电子（N型半导体）
熔化硅，破坏共价键，加入砷、锑、磷等5价电子，形成更多的电子。

 

2、增加空穴（P型半导体）
熔化硅，破坏共价键，加入3个价电子，如铝，硼，钾，形成更多的孔，如图10所示。

 

七、无偏置二极管
1、无偏置PN结

 

2、耗尽层
n区的电子在本区的电子排斥下、p区的空穴吸引下，越过PN结与p区的空穴结合形成偶极子，随着再结合的进行，PN结附近的载流子呈衰弱状态形成耗尽层。

 

3、势垒电压
随着扩散的进行,偶极子增加,每个偶极子都有一个电压,阻止电子进一步扩散,形成一个称为屏障电压的电压。锗二极管约为0.3V，硅二极管约为0.7V。

 

八、PN结正向偏置
1、PN结正向偏置
如图13中给PN结加上电压，称作正向偏置。
图13：PN结正向偏置

 

2、PN电流
在正向偏压电路中，电子被排除在右侧，吸引在左侧，当电压小于势垒电压时，电子不能通过耗尽层，不能形成电流。当增加的电压超过势垒电压时,N区域电子将损耗层与P区域的孔结合起来形成电流,孔从左向右移动形成孔电流。

 

九、PN结反向偏置
1、反向偏置
给PN结加上如图14的电压后称为PN结反向偏置。

 

2、耗尽层变宽
在反向偏压后，n区电子被电池的正电极吸引，p区电子被排除在n区在电场作用下达到新的平衡，耗尽层变宽，如图15所示。

 

3、少子电流
在耗尽层稳定后，还会有电流存在吗？其答案是，由于分子热运动的原因，在PN结附近激发了少量的电子和空穴，耗尽层中的少子部分通过PN结，产生了小电流，即PN反向偏压时反向继续的小电流。

 

4、表面漏电流
除少年形成的逆电流外，二极管表面存在小电流，这种情况下由结构缺陷和杂质引起。

 

二极管的反向电流和表面泄漏电流合称为二极管反向电流。

 

十一、击穿
因为少数的存在，当电压增加时，少数的动能会增加，在运动过程中会与原子碰撞，当电子的动能足够大时，会碰撞更多的电子，这些电子动能会继续增加，撞击更多的电子，形成雪崩。