一些半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)

我們身邊的材料可以按導(dǎo)電性分為導(dǎo)體（Conductor）、絕緣體（Insulator）和半導(dǎo)體（Semiconductor）。金屬、石墨、人體等具有良好的導(dǎo)電能力，被稱為導(dǎo)體。橡膠、塑料、干木頭等是不導(dǎo)電的，或者說(shuō)導(dǎo)電能力極差，屬于絕緣體。而導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的硅、鍺等材料，就是半導(dǎo)體。來(lái)張圖直觀看看物體的導(dǎo)電性：

按照導(dǎo)電性可分為：

絕緣體：電導(dǎo)率很低，介于10-18~10-8 S/cm，如熔融石英、玻璃；

導(dǎo)體：電導(dǎo)率較高，介于103~108 S/cm，如鉍、銀等金屬；

半導(dǎo)體：電導(dǎo)率則介于絕緣體和導(dǎo)體之間。

一、能帶的概念

想要更深層次地了解半導(dǎo)體，就需要先了解一下能帶的概念。能帶是根據(jù)電子能量高低及狀態(tài)劃分的區(qū)域，通常包括導(dǎo)帶（Conduction band）、禁帶（Forbidden band）、價(jià)帶（Valence band）三部分。電子在能帶中的位置越高，其能量就越大。

以下是非常學(xué)術(shù)的解釋：

本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)中存在著由于熱激發(fā)出來(lái)的“自由電子”，還有未能夠被激發(fā)出來(lái)的“價(jià)電子”（存在于共價(jià)鍵之中）。價(jià)電子要想逃離原子核的束縛需要具有一定的能量克服引力做功，一旦逃離出共價(jià)鍵之后，勢(shì)必當(dāng)前的電子吸收的外在的能量，具有更高的能量。我們?nèi)我馄书_(kāi)某一個(gè)晶格，進(jìn)入到晶體的微觀世界中，可以將共價(jià)鍵控制的區(qū)域稱為價(jià)帶，將共價(jià)鍵控制不到的區(qū)域稱為導(dǎo)帶，顧名思義在導(dǎo)帶里面的電子成為了電流的載流子。價(jià)帶和導(dǎo)帶之間稱為禁帶，在量子世界里，電子能夠吸收能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，也能釋放能量從導(dǎo)帶跌入到價(jià)帶，禁帶被認(rèn)為是電子的真空區(qū)域。

以下是很形象的比喻：

導(dǎo)帶是高架橋，價(jià)帶是地面人行道。半導(dǎo)體就像是人滿為患時(shí)的地面交通，電子們寸步難行擠成狗，但你若是有本事跳上空曠無(wú)人的高架橋，那就可以隨便蹦跶了。高架橋到地面之間的空檔，就被稱為禁帶。所謂禁帶，就是說(shuō)電子沒(méi)地方可站。高架橋若是太高，電子們跳不上去，交通便陷入徹底癱瘓。這是絕緣體。高架橋若是接上了地面道路，電子們就能紛紛上橋，交通立刻順暢起來(lái)。這是金屬?，F(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)，之所以能夠?qū)崿F(xiàn)器件的開(kāi)關(guān)，就是能夠在高架杯和地面之間架起一座臨時(shí)的梯子，它將決定地面上有多少幸運(yùn)的電子能夠登上高架橋，擔(dān)負(fù)起導(dǎo)電的偉大使命。

因此，禁帶寬度（Bandgap）是區(qū)分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的重要標(biāo)志。導(dǎo)體的禁帶寬度為零，電子可以輕易進(jìn)入導(dǎo)帶，成為自由電子，因此導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很強(qiáng)。而絕緣體的禁帶寬度很大，電子要躍遷到導(dǎo)帶需要很大的能量，只有極少的電子能越過(guò)禁帶，因此絕緣體的導(dǎo)電能力極差。而半導(dǎo)體的禁帶寬度較絕緣體小，電子越過(guò)禁帶需要的能量小，有更多的電子能夠越過(guò)禁帶，因此導(dǎo)電能力比絕緣體略強(qiáng)，但仍然遠(yuǎn)遜于導(dǎo)體。

Si3N4的禁帶寬度為8eV（電子伏特），Al2O3的禁帶寬度為10.6eV，它們是絕緣體。而鍺、硅、砷化鎵、氮化鎵以及氧化鎵的禁帶寬度分別為0.67eV、1.12 eV、1.43eV、3.4eV和4.8eV左右，它們都是半導(dǎo)體。（注：電子伏特是能量單位，代表一個(gè)電子經(jīng)過(guò)1V的電位差加速后所獲得的動(dòng)能）

從三種材料的能帶圖來(lái)看，半導(dǎo)體和絕緣體的能帶是類似的，而與導(dǎo)體的能帶圖相差較大。其實(shí)并沒(méi)有一個(gè)明確的禁帶寬度大小來(lái)區(qū)分半導(dǎo)體與絕緣體，并且隨著半導(dǎo)體材料的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體的禁帶寬度越來(lái)越大，寬禁帶、超寬禁帶半導(dǎo)體的禁帶寬度，已經(jīng)越來(lái)越接近一些絕緣體。

二、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

半導(dǎo)體相較于絕緣體有另一個(gè)特征，那就是半導(dǎo)體材料中一旦摻入了雜質(zhì)原子（簡(jiǎn)稱摻雜）后，就會(huì)對(duì)半導(dǎo)體材料的物理和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響。如按十萬(wàn)分之一的比例在硅中摻入磷原子，硅的導(dǎo)電性將提升一千倍。

自然界中常見(jiàn)的元素半導(dǎo)體有硅、鍺。而鍺基半導(dǎo)體比硅基半導(dǎo)體還要更早發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，但是硅的天然優(yōu)勢(shì)就是便宜！自然界中常見(jiàn)的沙石就含有大量的硅元素！

先深入了解一下硅元素，在元素周期表中，硅排列在第14位，硅原子最外層有4個(gè)電子，分別與周圍4個(gè)原子共用4對(duì)電子，這種共用電子對(duì)的結(jié)構(gòu)稱為共價(jià)鍵（Covalent bonding）。注意，硅原子共用電子的情況是，中間一個(gè)硅原子和四個(gè)硅原子共用電子。

物理學(xué)家想到一個(gè)問(wèn)題，如果不與周圍硅原子共用電子，把其他原子拉進(jìn)會(huì)怎樣？砷原子最外層有5個(gè)電子，其中4個(gè)電子找到了硅原子，另外一個(gè)電子單著了，這個(gè)電子成了無(wú)業(yè)游民，到處流竄，由于電子帶有電荷，于是改變了硅的導(dǎo)電性。此時(shí)的砷原子多提供了一個(gè)電子給硅，因此砷原子被稱為施主（donor）。硅的自由電子多了以后，帶負(fù)電的載流子增加，硅變成N型半導(dǎo)體。為啥叫N型？在英文里Negative代表負(fù)，取這個(gè)單詞的第一個(gè)字母，就是N。

同樣，物理學(xué)家想，既然可以把電子多的砷元素拉進(jìn)群，那么是否也可以把電子少的硼原子拉進(jìn)群？ 由于硼原子最外層只有3個(gè)電子，比硅少一個(gè)，于是本來(lái)兩對(duì)電子的共價(jià)鍵現(xiàn)在成了只有一對(duì)電子，多了一個(gè)空位，成了帶正電的空穴（Hole）。此時(shí)的硅基半導(dǎo)體被稱為P型半導(dǎo)體，同樣P來(lái)自英文單詞Positive的首字母，而硼原子則被稱為受主（acceptor）。正是在硅單晶中加入的原子不同，便形成了N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。

由于加入硼或砷以后，它們改變了硅的電化學(xué)性能，此時(shí)的半導(dǎo)體叫做非本征（extrinsic）半導(dǎo)體，而由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸形成的結(jié)稱為p-n結(jié)！

三、p-n結(jié)的原理

左圖是一個(gè)P型半導(dǎo)體和一個(gè)N型半導(dǎo)體，它們獨(dú)立存在時(shí)對(duì)外不顯電性。

將它們拼接在一起，你看看我，我看看你，P家的空穴想去N家串串門(mén)，N家的電子也想去P家看看。它們分別往對(duì)方的陣地走，走著走著它們猛然發(fā)現(xiàn)，電子可以掉進(jìn)空穴里，空穴可以完全接納電子，在它們碰到的地方既沒(méi)有了空穴，也沒(méi)有了電子（因?yàn)閺?fù)合了），這個(gè)區(qū)域稱為耗盡區(qū)（Depletion region）。既然中間有了耗盡區(qū)，電子跑不動(dòng)了，空穴也跑不動(dòng)了。

但如果我們給這些電子加把力，把它往前推一下會(huì)怎么樣呢？那就給這個(gè)p-n結(jié)外加一個(gè)電場(chǎng)，有電場(chǎng)就有了電子的流動(dòng)。我們把P型半導(dǎo)體接入正極，N型半導(dǎo)體接入負(fù)極時(shí)（如下圖）。外加電壓使P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；p-n結(jié)加正向電壓時(shí)，p-n結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，p-n結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

如果把正負(fù)極反過(guò)來(lái)接在p-n結(jié)上會(huì)怎樣？將外加電壓使P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏；p-n結(jié)加反向電壓時(shí)，p-n結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，p-n結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。

總結(jié)一下，通過(guò)對(duì)p-n結(jié)施加不同方向的電壓，得到：p-n結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流，p-n結(jié)導(dǎo)通。p-n結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流，p-n結(jié)截止，由此可以得出結(jié)論：p-n結(jié)具有單向?qū)щ娦?。要知道，p-n結(jié)是一切半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，就如同面粉是主食的基礎(chǔ)，面粉可以做成包子、饅頭、面包、面條…