半导体的原理和材料

一路上

前言

半导体”是一种特性介于“导体”和“绝缘体”之间的物质，前者像金属一样导电，后者几乎不导电。电流流动的容易程度与物质电阻的大小有关。如果电阻高，电流很难流动；如果电阻低，电流容易流动。

半导体材料

硅（Si）和锗（Ge）是众所周知的半导体材料。当它们是纯晶体时，这些物质接近绝缘体（本征半导体），但是掺杂少量的掺杂剂就会导致电阻大幅度下降，变成导体。

根据掺杂剂的种类，可以制成n型或p型半导体。由几种元素制成的半导体称为化合物半导体，它们与硅半导体等由单一元素制成的不同。具体组合有元素周期表第III组和第V组、第II组和第VI组、第IV组等。

N型半导体

n型半导体是指以磷（P）、砷（As）或锑（Sb）作为杂质进行掺杂的本征半导体。第IV组的硅有四个价电子，第V组的磷有五个价电子。如果在纯硅晶体中加入少量磷，磷的一个价电子就可以作为剩余电子自由移动（自由电子*）。当这个自由电子被吸引到“＋”电极上并移动时，就产生了电流流动。

P型半导体

p型半导体是指掺杂了硼（B）或铟（In）的本征半导体。第IV组的硅有四个价电子，第III组的硼有三个价电子。如果将少量硼掺杂到硅单晶中，在某个位置上的价电子将不足以使硅和硼键合，从而产生了缺少电子的空穴*。在这种状态下施加电压时，相邻的电子移动到空穴中，使得电子所在的地方变成一个新的空穴，这些空穴看起来就像按顺序移动到“–”电极一样。

化合物半导体

除了硅，还有结合了第III组和第V组元素以及第II组和第VI组元素的化合物半导体。例如，GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）、InGaAlP（磷化铝镓铟）等通常用于高频器件和光学器件。

近年来，InGaN（氮化铟镓）作为蓝光LED和激光二极管的材料引起了人们的广泛关注，SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）作为功率半导体材料也得到了一定程度上的关注和商业化。

典型的化合物半导体

第Ⅱ-Ⅵ组：ZnSe
第Ⅲ-Ⅴ组：GaAs，GaN，InP，InGaAlP，InGaN
第Ⅳ-Ⅳ组：SiC，SiGe

PN结

p型和n型半导体之间的接触面即称为PN结。

p型和n型半导体键合时，作为载流子的空穴和自由电子相互吸引、束缚并在边界附近消失。由于在这个区域没有载流子，所以它被称为耗尽层，与绝缘体的状态相同。

在这种状态下，将“＋”极连接到p型区，将“-”极连接到n型区，并施加电压使得电子从n型区顺序流动到p型区。电子首先会与空穴结合而消失，但多余的电子会移动到“＋”极，这样就产生了电流流动。

半导体器件的类型

使用半导体的电子部件称为半导体器件；随着应用领域的扩大和电子设备的发展，各种半导体器件得到了不断开发。

“分立半导体”是指具有单一功能的单个器件，比如晶体管和二极管。“集成电路（IC）”是指在一个芯片上安装有多个功能元件的器件。典型IC包括存储器、微处理器（MPU）和逻辑IC。LSI则提高了IC的集成度。按一般功能／结构，具体分类如上所示。