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有趣的材料科普10:N型与P型半导体是啥?
2022年02月17日 发布 分类:粉体入门 点击量:641
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在半导体材料领域有两个很唬人的名词“N型半导体”及“P型半导体”,下文一起来讨论讨论。

半导体

所谓半导体,顾名思义就是导电性介于导体与绝缘体之间的物质。半导体器件在电路中不可或缺。为什么要用导电性不好不坏的物质呢?如果只看易导电程度的话,那么金属比半导体要好得多。而半导体的有趣之处在于可以根据不同条件决定是否通过电流,金属无法控制电流不通过,而半导体可以利用其特性进行整流或控制。

一、本征半导体&杂质半导体

①本征半导体。非常纯净的单晶半导体称为本征半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%,常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。常用的半导体材料是单晶硅(Si)和单晶锗(Ge)。

纯纯的Si晶体

纯纯的Si晶体

硅(Si)原子的原子核周围带有14个电子,最外层轨道带有4个电子,连接方式是原子核相互共用电子对,原子核周围排列8个电子。一般来说,本征半导体相邻原子间存在稳固的共价键,导电能力并不强。但是共价键中的电子并不像绝缘体中的电子结合的那样紧,由于能量激发(如光照、温度变化),一些电子就能挣脱原有的束缚而成为自由电子(导电能力会大大增强,利用这种特性可制造热敏电阻、光敏电阻等器件)。在单晶硅中,我们发现每个自由电子的出现都会伴随出现一个空穴,也就是说自由电子数量和空穴数量是一样的,这样的半导体我们称为本征半导体。

本征半导体的导电机理价电子在获得一定能量(温度升高或受光照)后,即可挣脱原子核的束缚,Si 成为自由电子(带负电),同时共价键中留下一个空位,称为空穴(带正电)。这一现象称为本征激发。温度愈高,晶体中产价电子生的自由电子便愈多。在外电场的作用下,空穴吸引相邻原子的价电子来填补,而在该原子中出现一个空穴,其结果相当于空穴的运动(相当于正电荷的移动)。

拓展阅读:固体材料中都有哪些化学键及其特点是?

②杂质半导体。在本征半导体中掺入微量杂质后(加入杂质的过程叫掺杂),可使半导体的导电性发生显著变化其导电能力就可增加几十万乃至几百万倍,利用这种特性就可制造二极管、三极管等半导体器件。掺入的杂质主要是三价或五价元素,掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。杂质半导体导电机理等见第二部分

小知识:半导体的三大导电特性。

热敏性:当环境温度升高时,导电能力显著増强(可做成温度敏感元件,如热敏电阻);

②光敏性:当受到光照时,导电能力明显变化(可做成各种光敏元件,如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。

③掺杂性:往纯净的半导体中掺入某些杂质,导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件,如二极管、三极管和晶闸管等)。

二、辩一辩“p型半导体和n型半导体”

根据杂质的类型(上文也提了主要是三价或五价元素,这就是P、N型的根源),半导体分为p型半导体和n型半导体。为了用作电子元器件,将p型和n型结做在一块芯片中,半导体的这种与导体和绝缘体截然不同的导电特性是由它的内部结构和导电机理决定的。让我们以硅半导体为例来辩一辩p型半导体和n型半导体。

采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程

采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程

小知识:半导体的载流子

半导体载流子即半导体中的电流载体。在物理学中,载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒,如电子和离子。在半导体中,存在两种载流子,电子以及电子流失导致共价键上留下的空位(空穴,又称电洞,在固体物理学中指共价键上流失一个电子,最后在共价键上留下空位的现象)均被视为载流子。载流子在电场力作用下的运动称为漂移运动,载流子定向的漂移运动形成了电流。

①n型半导体

硅是第IV族元素,当掺入少量杂质磷元素(或锑元素)的硅晶体(或锗晶体)时,每个P原子使用其5个价电子中的4个与相邻的4个Si原子形成化学键,多余的电子在常温下即可成为自由电子,留下一个不能移动的P正离子 这里的P原子叫给体原子。n-型半导体,“N”表示负电的意思,指载流子带负电荷,取自英文Negative的第一个字母。

n型半导体

n-型半导体,将一部分Si原子置换成P(磷)等的原子↑↑。箭头所指这种电子的形态处于“多余的”状态。这叫自由电子。只要外加电压,就会被吸向+极,变为可自由运动(可通过电流)的状态。

N型半导体含自由电子浓度较高,其导电性主要是因为自由电子导电。在N型半导体中自由电子是多数载流子,主要由杂质原子提供,空穴是少数载流子,由热激发形成。掺入的杂质越多,多子(自由电子)的浓度就越高,导电性能就越强。

n型半导体小总结:

n型半导体也称为电子型半导体。n型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。n型半导体就是在单晶硅中掺入5族元素杂质,多子为电子。

②p型半导体

掺入少量杂质硼元素(或铟元素)的硅晶体(或锗晶体)中,由于半导体原子(如硅原子)被杂质原子取代,硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候,会产生一个“空穴”,这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”,使得硼原子成为带负电的离子。这样,这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”(“相当于”正电荷,P是positive的首字母),成为能够导电的物质。

p型半导体

P型半导体,将一部分Si原子置换成B(硼)等原子↑↑。箭头所指是没有电子的“空位”状态。这种空位叫做空穴。也就是说空穴中无实体,也叫虚拟粒子。

在P型半导体中,空穴为多子,自由电子为少子,这类半导体的导电性主要依赖带正电荷的空穴的迁移。类似的,空穴主要由杂质原子提供,自由电子由热激发形成。掺入的杂质越多,多子(空穴)的浓度就越高,导电性能就越强。掺入的杂质越多,多子(空穴)的浓度就越高,导电性能就越强。

P型半导体小总结:

P型半导体也称为空穴型半导体。P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。p型半导体是掺入3族杂质,多子为空穴。无论是P型还是N型,对外都是中性,不显电性。

③没有自由电子的p型半导体如何导电?

p型半导体的导电原理如下图所示,在外加电压作用下,电子被吸向+极,移动至附近的空穴。于是,电子移动后空出来的地方成为新的空穴,旁边的电子又会移动。通过如此反复,在电子向+极移动的同时,看上去是空穴向-极移动。在此过程中实际运动的是电子,但是可以将空穴视为带+电荷的粒子。

p型半导体导电过程

看上去是空穴移动,实际是电子在跑路

 

p型及n型半导体内电子和空穴在半导体内部的运动示意

pn结的形成原理

半导体中的载流子的有两种运动:扩散运动和漂移运动,扩散运动是指在电中性的半导体中,载流子从浓度高的区域向浓度低区域的运动;漂移运动是指在电场作用下,载流子有规则的定向运动。扩散的结果是空间电荷变宽,内电场越强,漂移越强,而漂移是空间电荷区变薄。扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡,空间的电荷区厚度固定不变,空间电荷区称为PN结。

pn结的形成原理

多子扩散,少子漂移

pn结的单向导电性

p型半导体和n型半导体都可以通过电流,但并不像金属那样容易通过电流,因此如果只是为了通过电流,那么不需要使用半导体。半导体的特点在于可根据条件而通过或不通过电流。

pn结的单向导电性

由于pn结的单向导电性,可以利用它作为基础制造半导体二极管、三极管等电子元件,例如常用的稳压二极管、光电二极管、发光二极管(LED)等。

 

参考资料:

新电元工业株式会社官网

 

编辑:粉体圈Alpha

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