什么是半導(dǎo)體？半導(dǎo)體材料具有與絕緣體和導(dǎo)體相同的導(dǎo)電特性

半導(dǎo)體材料具有與絕緣體和導(dǎo)體相同的導(dǎo)電特性。它們可以由純?cè)?如硅或鍺)組成，也可以由兩種元素(如砷化鎵或硒化鎘)混合而成。半導(dǎo)體材料可以通過在純半導(dǎo)體中添加雜質(zhì)來摻雜，從而改變它們的導(dǎo)電性能。

半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)

由于硅覆蓋了地球表面的 28%，它被認(rèn)為是一種常見的材料，原子序數(shù)為 14。顯示了硅的原子結(jié)構(gòu)：硅的外環(huán)中有四個(gè)電子，稱為價(jià)電子。在某些情況下，這些價(jià)電子可以與其他原子的價(jià)電子結(jié)合。發(fā)生這種情況時(shí)，會(huì)形成共價(jià)鍵，從而形成晶格晶體結(jié)構(gòu)。

純硅是一種很好的絕緣體，這意味著不能通過它進(jìn)行導(dǎo)電。但是，如果在純硅結(jié)構(gòu)中添加一些雜質(zhì)，則可以改變這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

在摻雜過程中，雜質(zhì)被添加到純半導(dǎo)體材料中，使其成為外在的(相對(duì)于純半導(dǎo)體，這是本征的)。一些最常見的雜質(zhì)類型是三價(jià)(三個(gè)價(jià)電子)，例如硼和鎵，以及五價(jià)(五個(gè)價(jià)電子)，例如砷和銻。

假設(shè)純硅半導(dǎo)體摻雜了五價(jià)雜質(zhì)砷。砷的四個(gè)價(jià)電子將與硅的四個(gè)價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而來自砷的一個(gè)電子保持自由。在這個(gè)例子中，砷基本上“捐贈(zèng)”了一個(gè)自由電子給硅結(jié)構(gòu)。

所有五價(jià)雜質(zhì)都“提供”自由電子，被稱為供體雜質(zhì)。結(jié)果，在形成的結(jié)構(gòu)中，通過電子進(jìn)行傳導(dǎo)，晶體被稱為N型晶體。

三價(jià)雜質(zhì)只能利用三個(gè)電子形成共價(jià)鍵;因此，將需要一個(gè)電子來完成晶格結(jié)構(gòu)，并且將保留一個(gè)空穴來代替丟失的電子。因?yàn)檫@個(gè)空穴可以接受一個(gè)電子，所以三價(jià)雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。在所得結(jié)構(gòu)中，通過空穴進(jìn)行導(dǎo)電，晶體稱為 P 型晶體。

p-n結(jié)架構(gòu)

在P型半導(dǎo)體中，添加元素周期表的III族元素作為摻雜元素，而在N型半導(dǎo)體中，V族元素作為摻雜元素。在 P 型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是電子。

p-n 結(jié)是由兩種不同摻雜的半導(dǎo)體類型組成的界面。在 P 區(qū)，有比形成結(jié)的半導(dǎo)體多一個(gè)間隙(更多正電荷)的三價(jià)摻雜元素，而在 N 區(qū)，有更多電子(更多負(fù)電荷)的五價(jià)摻雜元素。

“結(jié)”是指兩種摻雜(P 和 N)連接的區(qū)域。因此，如果 P 型層和 N 型層靠得很近，則在接合處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)排空區(qū)。這發(fā)生在 P 區(qū)中的空穴趨向于接近 N 層并且 N 區(qū)中的電子趨向于向 P 區(qū)移動(dòng)時(shí)。因此，排空區(qū)域似乎沒有電荷，因?yàn)橄噜彽碾姾上嗷サ窒?

結(jié)果，在結(jié)中，產(chǎn)生了一個(gè)從右到左(從正到負(fù))的電場(chǎng)，以及與電場(chǎng)方向相反的電位差 delta V。

半導(dǎo)體的 P 區(qū)也稱為受主區(qū)，因?yàn)樗邮茈娮舆M(jìn)入其區(qū)域，而 N 區(qū)也稱為施主區(qū)，因?yàn)樗?P 區(qū)提供電子。

假設(shè) ap-n 結(jié)與電池進(jìn)行電子連接。如果結(jié)的 P 區(qū)與電池的正極相連，N 區(qū)與電池的負(fù)極相連，則可以表示p-n結(jié)以直接極化方式連接。

在這種情況下，p-n 結(jié)將被電流穿過，因?yàn)?N 區(qū)域的負(fù)電荷被吸引到電池的正極。當(dāng)這發(fā)生時(shí)，在克服了結(jié)的電位差之后，它們到達(dá)了電池的正極。同時(shí)，空穴被電子中和。

此外，如果 p-n 結(jié)反向連接，則應(yīng)連接到與電池負(fù)極的 P 區(qū)和與電池正極的 N 區(qū)。在此期間，結(jié)內(nèi)不會(huì)有電流流通，因?yàn)榕趴諈^(qū)域會(huì)擴(kuò)大，不允許任何電荷通過。

二極管是具有兩個(gè)端子的無源非線性電子元件，其功能是僅在一個(gè)方向上通過電流，即直接極化，而在極化反向時(shí)不讓電流通過。

晶體管及其類型

晶體管的第一個(gè)工作原型是 1947 年在貝爾電話實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的。晶體管的發(fā)明確實(shí)是電子領(lǐng)域最相關(guān)的發(fā)現(xiàn)之一，無論是數(shù)字還是模擬。

我們將重點(diǎn)介紹通過適當(dāng)連接兩個(gè) p-n 結(jié)獲得的雙極晶體管，也稱為雙極結(jié)晶體管 (BJT)。更準(zhǔn)確地說，BJT 由三個(gè)摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域組成，這樣：

· 稱為發(fā)射極和集電極的兩個(gè)橫向區(qū)域?qū)儆谕活愋?P 或 N)

· 中央?yún)^(qū)域，稱為基底，與側(cè)面區(qū)域的類型相反

如圖 4 所示，有兩種雙極晶體管配置：PNP 和 NPN。將有兩個(gè)潛在的障礙產(chǎn)生兩個(gè)相反的交叉點(diǎn)。

為了獲得晶體管效應(yīng)而不是兩個(gè)簡(jiǎn)單的相對(duì)二極管，必須遵守以下制造限制：

· 發(fā)射極和集電極區(qū)必須是重?fù)诫s的，因此自由電荷豐富，而中心區(qū)必須是弱摻雜的，因此自由電荷很差。

· 底座的寬度必須非常小，厚度與勢(shì)壘相當(dāng)。這樣，大多數(shù)充電器從發(fā)射極到集電極的時(shí)間會(huì)很短，很少有電荷可以在基極結(jié)合。

NPN和PNP晶體管的主要區(qū)別在于：

· 在 PNP 晶體管中，大多數(shù)電荷載流子是空穴，而在 NPN 晶體管中，電子是大多數(shù)電荷載流子。

· 當(dāng)電流流過晶體管的基極時(shí)，NPN 晶體管導(dǎo)通。在 NPN 晶體管中，電流從集電極流向發(fā)射極。

· 當(dāng)晶體管的基極沒有電流時(shí)，PNP 晶體管導(dǎo)通。在 PNP 晶體管中，電流從發(fā)射極流向集電極。

晶體管可以在三種模式下工作：

· 放大器(也稱為有源模式)。在這種模式下，發(fā)射極-基極結(jié)為正向偏置，而集電極-基極結(jié)為反向偏置。這樣做，電流從發(fā)射極流向集電極，其值與基極電流成正比。

· 切斷模式。發(fā)射極-基極和集電極-基極結(jié)都是反向偏置的。除了可忽略不計(jì)的靜態(tài)電流外，沒有電流流動(dòng)，晶體管關(guān)閉。

· 飽和模式。發(fā)射極-基極和集電極-基極結(jié)都是正向偏置的。所有電流從發(fā)射極流向集電極，晶體管導(dǎo)通。

從前文所述，晶體管通常用作電流放大器，或用作啟用/禁用與其連接的負(fù)載的開關(guān)。