了解半導(dǎo)體結(jié)的化學(xué)性質(zhì)

誠然，在任何商業(yè)、高科技或重大科學(xué)應(yīng)用的背后，都有一個(gè)潛在的化學(xué)機(jī)制。對于電子學(xué)的許多領(lǐng)域也是如此，尤其是當(dāng)大多數(shù)化學(xué)領(lǐng)域都受電子運(yùn)動(dòng)支配時(shí)。雖然化學(xué)的基本原理無處不在，但充分利用化學(xué)原理的電子學(xué)最重要的領(lǐng)域之一可能是半導(dǎo)體結(jié)。

半導(dǎo)體結(jié)，也稱為 pn 結(jié)，是兩種不同類型的半導(dǎo)體區(qū)域（p 型和 n 型）之間的界面。從最基本的意義上講，它是一種結(jié)，通過利用兩個(gè)化學(xué)摻雜區(qū)域相遇處的特性，使電流能夠沿一個(gè)方向通過。

化學(xué)如何使半導(dǎo)體結(jié)發(fā)揮作用

這些結(jié)內(nèi)有很多化學(xué)成分，范圍從摻雜構(gòu)成 p 型和 n 型材料的材料到結(jié)如何傳遞電流。要了解這些結(jié)為何如此工作，我們必須首先了解結(jié)中涉及的半導(dǎo)體材料。

化學(xué)摻雜的影響

這些結(jié)中使用的半導(dǎo)體材料都是非本征半導(dǎo)體，這意味著它們是化學(xué)摻雜的；這會(huì)改變它們的電子特性。P 型半導(dǎo)體是摻雜了價(jià)態(tài)低于原始材料的元素的材料，而 n 型材料是摻雜了價(jià)態(tài)更高的元素的材料。

作為參考，我們將考慮硅，因?yàn)樗沁@些結(jié)中使用最廣泛的材料之一。硅有四個(gè)價(jià)電子（因?yàn)樗堑?IV 族元素），這意味著它可以與晶格中的其他硅原子形成 4 個(gè)共價(jià)鍵。如果用第 (III) 族元素（例如鎵）代替硅原子，則摻雜的原子將只能與周圍的晶格形成三個(gè)鍵，而不是四個(gè)。這使得晶格中缺少化學(xué)鍵（即原子空位），稱為空穴。實(shí)際上，這些空穴充當(dāng)帶正電的粒子。大量的空穴也導(dǎo)致價(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中，這就在價(jià)帶內(nèi)留下了空穴。

相比之下，當(dāng)硅摻雜第 (V) 族元素（例如砷化物）時(shí)，這種摻雜劑能夠在晶格內(nèi)形成五個(gè)鍵。然而，由于晶格幾何結(jié)構(gòu)僅設(shè)計(jì)為每個(gè)原子容納四個(gè)鍵（摻雜劑不會(huì)改變晶格到重新排列的程度），因此砷化物原子形成適合晶格所需的四個(gè)鍵，但一個(gè)額外的電子剩下的，然后變得離域。在n型半導(dǎo)體中，額外電子的費(fèi)米能級位于帶隙頂部，剛好在導(dǎo)帶下方，這意味著離域電子很容易被激發(fā)到導(dǎo)帶中。

應(yīng)該注意的是，即使半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了局部變化，兩種類型的半導(dǎo)體材料仍保持電子中性。這是因?yàn)樗鼈內(nèi)匀粨碛信c電子相同數(shù)量的質(zhì)子（盡管整體數(shù)量會(huì)因摻雜而改變）。

交界處如何運(yùn)作

一旦制造了 p 型和 n 型區(qū)域，這些不同半導(dǎo)體區(qū)域之間的界面就充當(dāng)結(jié)。因此得名——pn 結(jié)。應(yīng)該注意的是，通常采用單晶材料，其中一半材料為 p 型摻雜，另一半為 n 型摻雜，而不是將兩種材料連接在一起——因?yàn)槿酆线^程通常會(huì)產(chǎn)生晶界（一種類型原子缺陷），可以抑制電流。

因此，結(jié)的一側(cè)是一系列帶負(fù)電的電子，另一側(cè)是一系列帶正電的空穴。結(jié)兩側(cè)的這種電荷分離產(chǎn)生電場，這成為 pn 結(jié)的內(nèi)置場。這個(gè)電場是由帶相反電荷的粒子聚集在一起并重新結(jié)合（也稱為湮滅）產(chǎn)生的，然后排斥結(jié)的 n 側(cè)上的電子和 p 側(cè)上的空穴。電場活躍的界面區(qū)域稱為耗盡區(qū)。這使得帶正電和帶負(fù)電的粒子在各自的側(cè)面分離。為了保持結(jié)周圍的中性電荷，結(jié)每一側(cè)的電荷總數(shù)必須相同。在路口中間，

在平衡狀態(tài)下，載流子的通量為零。耗盡區(qū)還充當(dāng)電荷載流子在重新結(jié)合之前需要克服的勢壘，并且該勢壘的大小由耗盡層的厚度決定。當(dāng)在結(jié)上施加正向電偏壓時(shí)，額外的能量將提供給自由空穴和電子，使它們能夠移動(dòng)到耗盡區(qū)。這將耗盡區(qū)的寬度減小到電場無法再抵消電荷載流子運(yùn)動(dòng)的程度。一旦發(fā)生這種情況，電子就會(huì)滲透到結(jié)的另一側(cè)，在那里它們與空穴重新結(jié)合。這會(huì)導(dǎo)致耗盡區(qū)再次增加，盡管在消除偏差之前它不會(huì)完全恢復(fù)到平衡狀態(tài)。

相比之下，當(dāng)對結(jié)施加反向偏置時(shí)，沒有電流流過。因此，電流只會(huì)朝一個(gè)方向流動(dòng)。電流不會(huì)在反向偏壓下流動(dòng)，因?yàn)槭┘拥碾妶雠c耗盡層的內(nèi)建電場方向相同（盡管也有例外）。在同一方向增加額外的電場會(huì)導(dǎo)致耗盡層增加，進(jìn)而導(dǎo)致電阻增加。

依賴于這些結(jié)的化學(xué)性質(zhì)的電子應(yīng)用

盡管可以從一般角度解釋“標(biāo)準(zhǔn)”半導(dǎo)體結(jié)的化學(xué)性質(zhì)，但產(chǎn)生電流的確切機(jī)制可能會(huì)因所采用的電子元件和/或應(yīng)用而異。在這里，我們討論了幾個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)模型不同的常見示例。

pn 結(jié)的最大應(yīng)用之一是光伏系統(tǒng)（太陽能電池）。在光伏結(jié)中，電流將通過光子產(chǎn)生。光子被吸收到結(jié)的耗盡區(qū)，這導(dǎo)致耗盡區(qū)（通常是硅）內(nèi)的一些共價(jià)鍵斷裂并釋放電子（和空穴）。因?yàn)榻Y(jié)連接到電路，電子移動(dòng)到 p 側(cè)并產(chǎn)生電流，而空穴移動(dòng)到 n 側(cè)，在那里它們與電子重新結(jié)合并恢復(fù)電中性。

二極管是另一個(gè)有效使用半導(dǎo)體結(jié)的領(lǐng)域。二極管有多種形式，其中一些使用不同的機(jī)制來產(chǎn)生電流。大多數(shù)二極管將按上述方式工作，并且只允許電流沿一個(gè)方向通過——通過正向偏置模式。但是，有一種稱為齊納二極管的類型使用反向偏置。一旦正極端子的電位比負(fù)極端子低得多，就會(huì)發(fā)生反向擊穿，電子從 p 摻雜材料中的共價(jià)鍵中脫離出來，反向（雪崩）電流流動(dòng)（用于調(diào)節(jié)電壓在一個(gè)電路中）。

結(jié)論

總的來說，化學(xué)對半導(dǎo)體結(jié)很重要的原因有很多；如果沒有各個(gè)化學(xué)學(xué)科的進(jìn)步，現(xiàn)在就不可能有半導(dǎo)體材料（和結(jié)）。半導(dǎo)體結(jié)采用無機(jī)、物理、量子和材料化學(xué)（在某些情況下是有機(jī)的）原理；并且利用許多化學(xué)領(lǐng)域的組合負(fù)責(zé)通過使用不同的摻雜元素來改變材料的電子和化學(xué)性質(zhì)的能力，以及摻雜區(qū)域之間發(fā)生的基本電子（和空穴）遷移機(jī)制，和更專業(yè)的現(xiàn)象，例如光子粒子通過半導(dǎo)體結(jié)產(chǎn)生電流的能力。

審核編輯：湯梓紅