一文理解半导体

电子阿强

在初中物理中，导体被定义为‌容易导电的物体‌。在日常生活中，可以把所有的物体按照导电性大致划分为三类：导体、半导体、绝缘体。导体和绝缘体很好理解，要么导电，要么不导电。半导体则介于导体和绝缘体之间，半导体既不像导体那样让电流畅通无阻，也不像绝缘体那样完全阻断电流。半导体的独特之处在于可通过温度、光照、掺杂微量杂质或电场等方式控制其导电能力。例如硅、锗、砷化镓等材料在常温下导电性较弱，但环境变化或人工干预可显著改变其电学特性。这种可控性使其成为电子技术的核心基础，现代芯片、晶体管等器件均依赖半导体实现信号处理和电能转换。
认识硅晶体
判断材料属于导体、半导体还是绝缘体，主要通过电导率和电阻率这两个物理量来确定，电导率数值越大，导电性越强，电阻率是电导率的倒数，电阻率数值越小，导电性越好。
下表列出了导体、半导体和绝缘体的电导率和电阻率范围。

自然界中常见的元素半导体有硅、锗，据说锗基半导体比硅基半导体还要更早发现和应用，但是硅的天然优势就是便宜！自然界中常见的沙石就含有大量的硅元素！
硅原子的原子核中有 14 个质子，核外有 14 个电子，电子分布在不同的能级轨道上，最外层有 4 个价电子。在硅晶体中，每个硅原子都与相邻的 4 个硅原子形成共价键 ，这 4 个硅原子分布在正四面体的顶点位置，以硅原子为中心，向四周伸展，从而构建起一个规则且稳定的空间网状结构。如下图所示：

硅晶体的导电原理
当硅晶体受到外界因素的影响，比如温度升高或者光照时，共价键中的一些价电子就会获得足够的能量，挣脱共价键的束缚，成为自由电子 。这些自由电子可以在硅晶体中自由移动，从而让硅晶体具备了导电的能力。
与此同时，当一个价电子挣脱共价键成为自由电子后，它原来所在的位置就会留下一个空位，这个空位被称为空穴。空穴又容易吸引邻近的价电子来填补这个空穴，而当这个价电子填补空穴后，它原来的位置又会形成新的空穴，如此循环，就相当于空穴在移动，且移动方向与价电子填补的方向相反。形象地说，就好像电影院里的座位，当一个人离开座位后，旁边的人依次填补这个空位，从整体上看，就像是这个空位在移动一样。
这样一来，在硅晶体中就出现了两种可以导电的粒子 —— 自由电子和空穴，它们被统称为载流子。在没有外加电场时，这些载流子的运动是杂乱无章的，无法形成有效的电流。但当在硅晶体两端加上电压后，情况就不一样了。自由电子带负电，会在外加电场的作用下逆着电场方向定向移动，形成电子电流；而空穴由于表现为正电，会顺着电场方向移动，形成空穴电流。这两种电流方向虽然相反，但它们共同构成了硅晶体中的总电流，使得硅晶体能够导电。​
在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴是成对出现的，它们的浓度相等，这种半导体被称为本征半导体。本征半导体的导电能力相对较弱，因为在常温下，依靠热激发产生的自由电子和空穴数量有限。纯硅在常温下的自由电子和空穴数量很少（约每立方厘米 10¹⁰个），所以导电能力远不如金属（金属自由电子浓度约 10²² 个 / 立方厘米）。这种微弱的导电性在实际应用中意义不大，因此工业上会通过掺杂技术（比如掺入磷或硼）来显著提升其导电性能。在纯净的硅晶体中掺入少量特定的杂质原子，可以极大地改变其导电性能。常见的杂质有硼（B）、磷（P），在硅晶体中分别加入硼（B）或磷（P），就构成了P型半导体和N型半导体。
N型半导体​
当在硅晶体中掺入磷等五价元素时，磷原子会取代硅晶体中的部分硅原子。由于磷原子最外层有 5 个电子，比硅原子多 1 个电子，在与周围硅原子形成共价键后，会多出一个自由电子。这些额外的自由电子增加了硅晶体中自由电子的数量，使得电子成为多数载流子，而空穴则成为少数载流子，此时以带负电的电子导电为主，这种半导体被称为 N 型半导体 ，“N” 代表 Negative，即负电的意思。


N 型半导体是以电子为多数载流子的半导体，但这并不意味着它没有空穴。空穴是半导体中价带电子跃迁后留下的空位，只要存在电子的热运动或外界激发（如光照、电场等），就可能产生电子—空穴对，因此空穴作为少数载流子始终存在于 N 型半导体中，只是数量远少于电子。
P型半导体​
相反，如果在硅晶体中掺入硼等三价元素，硼原子最外层只有 3 个电子，比硅原子少 1 个电子。当硼原子取代硅原子形成共价键时，会产生一个空穴。这样就增加了硅晶体中空穴的数量，使得空穴成为多数载流子，电子成为少数载流子，以带正电的空穴导电为主，这种半导体被称为 P 型半导体 ，“P” 代表 Positive，即正电的意思。

在P型半导体中，空穴的数量远多于自由电子，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。这是因为 P 型半导体是通过在本征半导体（如硅、锗）中掺入三价杂质元素（如硼、镓等）形成的。三价杂质原子的最外层只有 3 个电子，当它们与周围的半导体原子形成共价键时，会缺少一个电子，从而产生一个空穴。
PN结
在P型半导体中，空穴是多数载流子，在N型半导体中，电子是多数载流子。如果把P型半导体和N型半导体连接在接一起会怎么样？
当 P 型半导体与 N 型半导体相互接触时，会发生一系列重要的物理过程：
由于 P 型半导体中存在大量空穴（多数载流子），而 N 型半导体中则有大量自由电子（多数载流子），两者接触后，N 区的电子会向 P 区扩散以填补空穴，同时 P 区的空穴也会向 N 区扩散。
随着电子与空穴的结合，在接触面附近会形成一个特殊区域：N 区一侧因失去电子而留下带正电的离子，P 区一侧因失去空穴而留下带负电的离子，这就形成了空间电荷区（又称耗尽层）。
空间电荷区会产生一个内电场，其方向是从带正电的 N 区指向带负电的 P 区。这个内电场会对载流子的扩散运动产生阻碍作用：它会阻止 N 区的电子继续向 P 区扩散，同时也会阻碍 P 区的空穴向 N 区扩散，就像一道道 “势垒” 挡住了多数载流子的自由流动。
在没有外部电压作用时，扩散运动与内电场引起的漂移漂移运动达到平衡，此时的 PN 结处于相对稳定的截止状态，几乎不导电。

如果此时从P区外部接一个正电压，N区外面接一个负电压，当外部电压超过内电场力的时候，会产生什么结果呢？
当从 P 区外部接入正电压、N 区外部接入负电压（即施加正向电压）时，外部电场会持续抵消 PN 结的内建电场。一旦外部电压的 “推动力” 超过内电场的 “阻滞力”，内电场对多数载流子（P 区空穴、N 区电子）扩散运动的束缚便会彻底瓦解：大量空穴将从 P 区向 N 区定向移动，大量电子也会从 N 区向 P 区逆向迁移，两类载流子在扩散路径中不断碰撞复合，由此形成显著的正向电流，此时 PN 结进入完全导通状态。