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      有趣的材料科普10:N型與P型半導體是啥?
      2022年02月17日 發布 分類:粉體入門 點擊量:674
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      在半導體材料領域有兩個很唬人的名詞“N型半導體”及“P型半導體”,下文一起來討論討論。

      半導體

      所謂半導體,顧名思義就是導電性介于導體與絕緣體之間的物質。半導體器件在電路中不可或缺。為什么要用導電性不好不壞的物質呢?如果只看易導電程度的話,那么金屬比半導體要好得多。而半導體的有趣之處在于可以根據不同條件決定是否通過電流,金屬無法控制電流不通過,而半導體可以利用其特性進行整流或控制。

      一、本征半導體&雜質半導體

      ①本征半導體。非常純凈的單晶半導體稱為本征半導體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%,常稱為“九個9”。它在物理結構上呈單晶體形態。常用的半導體材料是單晶硅(Si)和單晶鍺(Ge)。

      純純的Si晶體

      純純的Si晶體

      硅(Si)原子的原子核周圍帶有14個電子,最外層軌道帶有4個電子,連接方式是原子核相互共用電子對,原子核周圍排列8個電子。一般來說,本征半導體相鄰原子間存在穩固的共價鍵,導電能力并不強。但是共價鍵中的電子并不像絕緣體中的電子結合的那樣緊,由于能量激發(如光照、溫度變化),一些電子就能掙脫原有的束縛而成為自由電子(導電能力會大大增強,利用這種特性可制造熱敏電阻、光敏電阻等器件)。在單晶硅中,我們發現每個自由電子的出現都會伴隨出現一個空穴,也就是說自由電子數量和空穴數量是一樣的,這樣的半導體我們稱為本征半導體。

      本征半導體的導電機理價電子在獲得一定能量(溫度升高或受光照)后,即可掙脫原子核的束縛,Si 成為自由電子(帶負電),同時共價鍵中留下一個空位,稱為空穴(帶正電)。這一現象稱為本征激發。溫度愈高,晶體中產價電子生的自由電子便愈多。在外電場的作用下,空穴吸引相鄰原子的價電子來填補,而在該原子中出現一個空穴,其結果相當于空穴的運動(相當于正電荷的移動)。

      拓展閱讀:固體材料中都有哪些化學鍵及其特點是?

      ②雜質半導體。在本征半導體中摻入微量雜質后(加入雜質的過程叫摻雜),可使半導體的導電性發生顯著變化其導電能力就可增加幾十萬乃至幾百萬倍,利用這種特性就可制造二極管、三極管等半導體器件。摻入的雜質主要是三價或五價元素,摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。雜質半導體導電機理等見第二部分

      小知識:半導體的三大導電特性。

      熱敏性:當環境溫度升高時,導電能力顯著増強(可做成溫度敏感元件,如熱敏電阻);

      ②光敏性:當受到光照時,導電能力明顯變化(可做成各種光敏元件,如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。

      ③摻雜性:往純凈的半導體中摻入某些雜質,導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件,如二極管、三極管和晶閘管等)。

      二、辯一辯“p型半導體和n型半導體”

      根據雜質的類型(上文也提了主要是三價或五價元素,這就是P、N型的根源),半導體分為p型半導體和n型半導體。為了用作電子元器件,將p型和n型結做在一塊芯片中,半導體的這種與導體和絕緣體截然不同的導電特性是由它的內部結構和導電機理決定的。讓我們以硅半導體為例來辯一辯p型半導體和n型半導體。

      采用硅平面工藝制備PN結的主要工藝過程

      采用硅平面工藝制備PN結的主要工藝過程

      小知識:半導體的載流子

      半導體載流子即半導體中的電流載體。在物理學中,載流子指可以自由移動的帶有電荷的物質微粒,如電子和離子。在半導體中,存在兩種載流子,電子以及電子流失導致共價鍵上留下的空位(空穴,又稱電洞,在固體物理學中指共價鍵上流失一個電子,最后在共價鍵上留下空位的現象)均被視為載流子。載流子在電場力作用下的運動稱為漂移運動,載流子定向的漂移運動形成了電流。

      ①n型半導體

      硅是第IV族元素,當摻入少量雜質磷元素(或銻元素)的硅晶體(或鍺晶體)時,每個P原子使用其5個價電子中的4個與相鄰的4個Si原子形成化學鍵,多余的電子在常溫下即可成為自由電子,留下一個不能移動的P正離子 這里的P原子叫給體原子。n-型半導體,“N”表示負電的意思,指載流子帶負電荷,取自英文Negative的第一個字母。

      n型半導體

      n-型半導體,將一部分Si原子置換成P(磷)等的原子↑↑。箭頭所指這種電子的形態處于“多余的”狀態。這叫自由電子。只要外加電壓,就會被吸向+極,變為可自由運動(可通過電流)的狀態。

      N型半導體含自由電子濃度較高,其導電性主要是因為自由電子導電。在N型半導體中自由電子是多數載流子,主要由雜質原子提供,空穴是少數載流子,由熱激發形成。摻入的雜質越多,多子(自由電子)的濃度就越高,導電性能就越強。

      n型半導體小總結:

      n型半導體也稱為電子型半導體。n型半導體即自由電子濃度遠大于空穴濃度的雜質半導體。n型半導體就是在單晶硅中摻入5族元素雜質,多子為電子。

      ②p型半導體

      摻入少量雜質硼元素(或銦元素)的硅晶體(或鍺晶體)中,由于半導體原子(如硅原子)被雜質原子取代,硼原子外層的三個外層電子與周圍的半導體原子形成共價鍵的時候,會產生一個“空穴”,這個空穴可能吸引束縛電子來“填充”,使得硼原子成為帶負電的離子。這樣,這類半導體由于含有較高濃度的“空穴”(“相當于”正電荷,P是positive的首字母),成為能夠導電的物質。

      p型半導體

      P型半導體,將一部分Si原子置換成B(硼)等原子↑↑。箭頭所指是沒有電子的“空位”狀態。這種空位叫做空穴。也就是說空穴中無實體,也叫虛擬粒子。

      在P型半導體中,空穴為多子,自由電子為少子,這類半導體的導電性主要依賴帶正電荷的空穴的遷移。類似的,空穴主要由雜質原子提供,自由電子由熱激發形成。摻入的雜質越多,多子(空穴)的濃度就越高,導電性能就越強。摻入的雜質越多,多子(空穴)的濃度就越高,導電性能就越強。

      P型半導體小總結:

      P型半導體也稱為空穴型半導體。P型半導體即空穴濃度遠大于自由電子濃度的雜質半導體。p型半導體是摻入3族雜質,多子為空穴。無論是P型還是N型,對外都是中性,不顯電性。

      ③沒有自由電子的p型半導體如何導電?

      p型半導體的導電原理如下圖所示,在外加電壓作用下,電子被吸向+極,移動至附近的空穴。于是,電子移動后空出來的地方成為新的空穴,旁邊的電子又會移動。通過如此反復,在電子向+極移動的同時,看上去是空穴向-極移動。在此過程中實際運動的是電子,但是可以將空穴視為帶+電荷的粒子。

      p型半導體導電過程

      看上去是空穴移動,實際是電子在跑路

       

      p型及n型半導體內電子和空穴在半導體內部的運動示意

      pn結的形成原理

      半導體中的載流子的有兩種運動:擴散運動和漂移運動,擴散運動是指在電中性的半導體中,載流子從濃度高的區域向濃度低區域的運動;漂移運動是指在電場作用下,載流子有規則的定向運動。擴散的結果是空間電荷變寬,內電場越強,漂移越強,而漂移是空間電荷區變薄。擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態平衡,空間的電荷區厚度固定不變,空間電荷區稱為PN結。

      pn結的形成原理

      多子擴散,少子漂移

      pn結的單向導電性

      p型半導體和n型半導體都可以通過電流,但并不像金屬那樣容易通過電流,因此如果只是為了通過電流,那么不需要使用半導體。半導體的特點在于可根據條件而通過或不通過電流。

      pn結的單向導電性

      由于pn結的單向導電性,可以利用它作為基礎制造半導體二極管、三極管等電子元件,例如常用的穩壓二極管、光電二極管、發光二極管(LED)等。

       

      參考資料:

      新電元工業株式會社官網

       

      編輯:粉體圈Alpha

      本文為粉體圈原創作品,未經許可,不得轉載,也不得歪曲、篡改或復制本文內容,否則本公司將依法追究法律責任

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