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半导体 (Semiconductor)(一)

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时间:2020-06-20

〈Semiconductor〉

半导体

半导体是一种导电性介于导体与绝缘体之间的固体材料,由于电性质的多样性,使得它在工程科技上的应用上,显得非常重要。目前的电子元件,从电脑、手机到数位 影音播放器,都是以半导体作为其主要成份的设计。硅是半导体在商业用途上主要元素,到目前为止已有无数半导体材料广泛被使用。

概观
半导体与绝缘体很相似,两者主要的区别在于能隙的大小(电子脱离原子束缚成为自由电子所需之最小能量),绝缘体比半导体有较大的能隙。半导体因为有能隙,其 电子必须获得足够的能量,才能成为自由电子,在室温,正如绝缘体一样,其有较少的电子能获得足够的能量,从价带跳到传导带成为自由电子,而能贡献电流,因 此半导体与绝缘体,在未加电场的情形下,两者电阻值是差不多的,也因为半导体比绝缘体有较小的能隙,所以除了温度以外,另有其它的方法去控制它的电性。纯 质型的半导体,可藉助我们称为掺杂(doping)的过程,加入杂质而改变电性,我们可以大略的估计,在材料中贡献电流的载子数目,从加入的杂质原子所提 供的自由电子与电洞(后面我们会观念性的讨论)的数目来决定,所以借助较大比例的掺杂,增加载子数目可提升到接近导体的电性,掺杂原子的种类不同,而使得 材料中电子与电洞的数目不同,而分为N型与P型半导体,将N型与P型接合的异质介面,会形成一内建电场,而导致自由电子与电洞能在这区域,受场的作用而移 动,这也是半导体元件在设计上很重要的依据。

除了掺杂,半导体的电阻值也随着外加电场的多寡而改变,这种外加电场来改变半导体电阻与传导,是应用半导体很重要的特性,像电晶体与二极体就是完成这方面应用的设计元件,电晶体是半导体的主动元件,如果配合被动元件(例如电阻与电容),就能建造出各种不 同的积体电路,像微处理器就是其中之一。

大多数半导体如果电子损失能量,从传导带到价带这个能量差,它就会以可见光的形式发出,在商业上很重要的 产品,半导体雷射与发光二极体(LED),就是建立在这种光发射的基础上,相反的如果电子吸收能量从价带来到传导带,或许就可以贡献电流或产生电的讯号, 光侦测器的原理这是根据这个道理,而光纤通讯与太阳电池也是一样。

半导体的原料可以是元素,如硅或锗。也可以是化合物,像砷化镓或磷化铟,更有些是多种元素的化合物像砷化铝镓等。

能带结构与能隙

首先从单一原子开始,原子有分立的能阶,当二个原子靠近时,每个能阶分裂成一个上部和一个下部的阶层,使得电子离开原来能阶的位置。有更多的原子靠近形成固 体时,阶层的数量就会增加,因而形成能带。半导体包含许多能带。最高的已佔满电子的能阶和最低空着电子的能阶之间,形成一个大的能量差异,然后在能带形成 以后,已佔用的能带和空着的能带之间很可能会形成一个能隙。

像在其他固体中,在半导体电子具有从基态能阶开始到某些能带之间的能量(也就是说这 些能阶的範围内)。相对应地我们可了解电子紧紧被原子核束缚,到让电子成为自由电子的能量差异,这能量差异是电子要完全逃脱束缚而成为自由所需最少能量。 每一能带对应数量庞大的电子量子态,大多数低能阶(比较接近原子核的)的量子态是被填满的,一般称为价带。半导体和绝缘体能与金属作区别,是因为价带与传 导带有差距而半导体的差距比绝缘体更小,而半导体的价带几乎是填满地在某些操作下提供电子足够的能量电子将到达很多空的量子态的传导带而使电子能作有效的 应用。

我们可以提供电子在半导体中能量,将电子从价带激发到传导带,这个能量的值取决于两带之间的能量差异,通常称为能隙,而能隙的值可将材料是半导体或绝缘体作为一个分界(大致4 eV)。

半导体 (Semiconductor)(一)

电子被激发到传导带也留下电子的空位,这个空位也可视为在价带上空的量子态。传导带电子和价带上的电子空位贡献电的传导。电子留下的空位实际上是不移动,但 是一个邻近电子可能移动去填充这个空位,而移过来电子的位置又留下空位,这样看上去好像是这个空位在移动一样,它移动的方向与电子移动的方向相反,所以就 这空位的行为来看,好像是一个正电荷粒子一样我们就称其为电洞所以半导体在电的性质上可视为有双载子(two carriers):电子与电洞。

 

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资料来源: http://en.wikipedia.org/wiki/semiconductor

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