半导体物理：它是什么？

半导体物理学

半导体元素的原子恰好有四个价电子。因为这四个价电子半导体元素确实具有一些特殊的电气特性和属性，这使得它们在电子电路元件中使用广泛使用二极管那晶体管那SCR等等。尽管半导体具有许多物理性质，但由于其中等的导电性，对该材料提供了半导体名称。

半导体范围为10的电阻率^{- 4}ω - m至0.5Ω - m。铜电阻率约为1.7×10^{- 8}室温和玻璃电阻率的ω - m约为9×10^11.ω- m，铜是好的导体和玻璃是绝缘体。

我们已经讲过，半导体在电路元件中很有用，不仅因为它的电阻率适中，而且还因为它有许多其他的特殊特性。
半导体的一些主要特性是，

1. 电阻率小于一个绝缘子不仅仅是一个指挥。
2. 电阻的温度系数为负。
3. 当杂质添加到a时半导体，半导体的电阻率突然变化。

半导体中的债券

半导体原子中的价电子在粘合方面是至关重要的作用原子在半导体晶体中。原子之间发生键合是因为每个原子都有一种倾向，那就是它的最外层有8个电子。

每个半导体原子有四个价电子，因此这个原子可以共用相邻原子的其他四个价电子，在其最外层的细胞中完成八个电子。原子之间通过共用价电子形成的键合称为共价键。

每个半导体原子在晶体中产生四个具有四个相邻原子的共价键。这意味着，用四个相邻半导体原子中的每一个产生一个共价键。下图显示了在锗晶体中形成的共价键。

在锗晶体中，每个原子在最后一个轨道中有八个电子。但在一个孤立的单一锗原子中，有32个电子。第一个轨道由2个电子组成。第二个轨道由8个电子组成。第三轨道由18个电子组成，搁置4个电子是四分之一或外部轨道。

但在锗晶体中，每个atom从四个相邻原子共享4个价电子，以用八个电子填充其最外面的轨道。以这种方式，它们中的每一个在其最外面的轨道中具有八个电子。
通过形成这些共价键，晶体中的每个价电子与原子相关，因此在理想条件下，晶体中的任何游离电子都不存在。在一个半导体，这原子由于原子为原子共价键有秩序排列。这形成了半导体的晶体结构。

常用的半导体

有许多半导体，但很少用于电子电路。两种最常用的半导体是硅和锗。硅和锗需要更低的能量来打破晶体中的共价键。这就是最常用这两种半导体的主要原因。硅需要1.1 eV才能打破晶体中的任何共价键，锗需要1.1 eV
0.7 ev以相同的目的。

硅

硅在其隔离原子中具有总体14个电子。第一个轨道由2个电子组成。第二个轨道由8个电子组成，第三个轨道由4个电子组成。由于硅原子的外部轨道的外部轨道中有四个电子，因此硅是四价元素。

硅晶中的每个硅原子产生与四个相邻的硅原子的共价键。以这种方式，硅晶体的每个原子在其最外面的轨道中获得8个电子。原子为原子共价键在晶体中以有序的方式布置硅原子。

锗

锗在其隔离原子中有32个电子。锗原子的第一，第二和第三轨道分别由2,8,18电子组成。锗的第四或最外面的轨道由[32-（2 + 8 + 18）= 4]电子组成。

在晶体中的硅原子类似的方式，锗晶体中的锗原子使四个与四个相邻的锗原子的共价键。出于与硅晶体中的相同原因，锗晶体中的锗原子以有序的方式排列。

半导体能带理论

在半导体晶体中，价带填充有价电子。由于原子为原子共价键，整个价带填充有价电子的理想条件。

因此，在理想的条件下，整个导通带是空的。但是典型的典型性半导体是传导带和价带之间的带隙是适度的。这是大约1eV。因此，对于提供给晶体的任何外部能量，价频带的电子可以获取迁移到导电带的能力并增加导电性。

我们称之为导通和价之间的能量差距，禁止能量隙。硅的禁止能量差距为1.1eV，锗也是如此0.7eV。随着禁止的能隙相当温和，价带中的电子需要小的能量来跨越禁止的能量间隙变得自由。甚至在室温下，硅或锗半导体晶体中有许多可用的自由电子。不仅在硅或锗半导体中，在所有其他半导体中，室温下有许多游离电子，因为相同的原因。这些在导通带中的自由电子引起半导体的电导率。虽然室温下半导体中有多个自由电子，但与数量相比，数量仍然很小原子在一块半导体晶体中。发现，在室温下超过10^10.半导体原子，只有一个自由电子。

由于这些少量的游离电子，半导体具有中等的电导率，即不如金属导体，而不是差绝缘子。在绝对零温度下，半导体晶体中没有可用的外部能量。没有价电子交叉禁止的能量隙。因此，半导体晶体中没有可用的自由电子。因此，半导体将在绝对零温度下表现为完美的绝缘体。

现在，当半导体的温度从绝对零升起时，价带的电子获得能量并越过禁止的间隙，因此变为自由电子。随着恒温不断上升，在半导体晶体中，自由电子的数量增加，因此半导体的电导率增加。

电导率是抗性的倒数。这意味着，随着温度的增加，半导体的电阻减小。因此，我们可以说半导体具有负温度的电阻系数。因此，在室温下，如果我们在半导体上施加潜在差异，将有一个小的当前由于其在室温下在半导体中开发的中等电导率而流过半导体。

每当有一个电子从价带迁移到导带时，价带就会产生一个空位，一个新的电子可以坐在那里。我们把价带中电子可以停留的空位称为空穴。

一旦一个电子变得自由，它后面的价带就会产生一个空穴。因此，对于纯半导体中的每一个自由电子，都会有一个空穴。因此，我们可以说，任何外部能量，主要是热能，不仅创造了半导体晶体中的自由电子，还创造了电子-空穴对。

半导体中的每个共价键由两个相邻原子贡献的两个价电子组成。当其中一个价电子离开键时，键就不完整了。这个不完整的键有很强的通过吸引电子而使自己完整的倾向。这个空穴是在共价键中产生的电子空位，因为这个空穴可以吸引电子，我们可以假设这个空穴与正电荷是等价的。但是在物理上正电荷是不存在的除非它能作为正电荷。换句话说，半导体中的空穴是虚正电荷。

像自由电子一样，半导体晶体中的空穴从一点移动到另一点。但半导体中空穴的运动与自由电子的运动不同。自由电子在半导体晶体结构中进行物理运动。这些空穴实际上是在半导体晶体中移动的。

晶体中产生的每个洞都与其母原子有很强的关联。因此，它在物理上是不动的。当来自其他共价键的电子来到这个空穴上，这个空穴就消失了。但是空穴上的电子来自于其他的共价键因此电子在之前的键上形成了一个空穴。所以，一个新的洞已经出现了。这样，一个洞消失了，另一个洞同时出现。几乎就像这样一个洞从它的旧位置移动到它的新位置。

当我们施加潜在的差异时半导体，自由电子从负面移动到电位的正面。在同一时孔从正面负面移动。

内在半导体

内在半导体是非常纯粹的半导体。在室温下，由于热激励，仅在内在半导体晶体中创建的电子空穴对。由于在室温下在晶体中热产生的自由电子和孔的浓度，内在半导体确实具有适中的电导率。

外在半导体

通过添加一些杂质，我们可以显着改变半导体的电导率。我们参考用于将杂质加入用于改变其导电性的杂质，如掺杂。

在半导体中添加的杂质可以增加自由电子的数量或根据添加的杂质的类型增加空穴数量。当我们将五价元素添加为杂质时，外部半导体晶体中的自由电子的数量增加。

当我们将三价元素添加为杂质时，半导体增加的孔数。我们打电话，外在半导体与N型半导体一样多量的自由电子。我们称之多孔数量多于自由电子的数量，如P型半导体所示。因此，掺杂量决定了半导体的电导率。掺杂元素的类型决定了半导体的类型，无论是n型还是p型。

n型和p型半导体

当我们把五价杂质元素加到本征半导体材料，它成为n型半导体。添加五价消除贡献了半导体中的大量游离电子。我们通常使用砷和
为目的作为五价杂质的锑。

让我们享用纯锗。纯锗将在室温下有一些自由电子和孔。由于在纯半导体晶体中，由于哪种自由电子和孔总是存在的原因。
1）在室温下，会有一些热产生的电子孔对。
2）我们实际上不能准备绝对纯材料。因此，在半导体中总是存在一些存在的杂质，尽管有杂质的量可以忽略不足。在这种杂质中，可能存在五价和三价杂质。这些五价和三价杂质造成了自由的电子和孔半导体即使没有任何杂质的外部掺杂。

现在让我们在那种锗半导体中添加像砷的五价元素。砷有五个价电子，因为它是五价。每个砷原子的四个价电子参与产生与四个相邻的锗原子的共价键。以这种方式，每个砷原子填充其价带。

砷的第五个电子不参与共价键的形成，不能在价键中占有一席之地。然后这个电子迁移到晶体的导带，成为自由电子。这样，通过在半导体中加入五价杂质，就会有意地产生许多自由电子。

现在锗中的游离电子（n）的总数是，热创建的游离电子的总和（n_一种）由于半导体的固有杂质而产生的游离电子（n_B.）由于外部添加的五价杂质而产生的自由电子（n_C)。

现在半导体中的孔（P）的总数是热创造的孔的总和（P_一种)和由于半导体固有杂质而产生的空穴(P_B.)。

外部添加的五价杂质在理想情况下不会对半导体产生任何空穴。同样，外部加入或丢弃的杂质原子(这里是砷)的数目相当大，因此五价掺杂半导体中自由电子的数目比空穴的数目要大得多。

因为有更多的自由电子半导体，我们称半导体称为负类型或n型半导体。相同的解释可以应用于正类型或P型半导体。