1.1半导体基础知识
在本教程中，我们将学习半导体的基础知识，因为它们是电子学的重要组成部分。在了解半导体二极管、晶体管等众多器件之前，了解电导率、能隙以及半导体的基本类型是非常重要的。本教程的这一部分将为接下来学习 PN 结奠定关键基础。
引言
在电子和电气电路中，有两种类型的半导体器件，即有源器件和无源器件。二极管是有源器件中最基本的，而电阻是无源器件中最基本的。二极管本质上是单向器件，其电流-电压特性呈指数关系，由半导体材料制成。
在电子学中使用的三种必要材料是绝缘体、半导体和导体。这些材料是根据电学现象进行分类的。电导率，也称为电阻率，是衡量一种材料阻止电流通过的效率的指标。
电阻率的单位是欧姆·米（[Ω·m]）。电阻率低的材料表明电荷在半导体中能够有效移动。
半导体的电阻率值介于绝缘体和导体之间。这些材料既不是良好的绝缘体，也不是良好的导体。它们只有少量自由电子，因为它们的原子以晶体形式紧密键合，这种结构被称为“晶体晶格”。硅和锗是半导体的例子。
半导体在电子电路和集成电路制造中具有重要意义。通过改变制造过程中的温度和掺杂浓度，可以轻松改变半导体的导电性。通过向晶体晶格中添加一定量的杂质，产生比空穴更多的自由电子，从而显著提高半导体材料的导电能力。
通过向半导体材料中添加少量杂质，其性质会发生显著变化。通过在硅晶体晶格中掺入杂质原子，改变电子和空穴之间的平衡，这一过程被称为掺杂。这些杂质原子被称为掺杂剂。根据掺入的掺杂材料的类型，半导体晶体分为两种类型，即 N 型半导体和 P 型半导体。
第 Ⅴ 族元素，如磷、锑和砷，通常被归类为 N 型杂质。这些元素有五个价电子。当 N 型杂质掺入硅晶体时，五个价电子中的四个与相邻晶体原子形成四个强共价键，留下一个自由电子。
同样，每个 N 型杂质原子在导带中产生一个自由电子，如果对材料施加电势，这些自由电子会漂移以传导电流。N 型半导体也可以被称为施主。
第 Ⅲ 族元素，如硼、铝、镓和铟，通常被归类为 P 型杂质。这些元素有三个价电子。当 P 型杂质掺入硅晶体时，三个价电子与相邻晶体原子形成三个强共价键。
由于缺少一个电子来形成第四个共价键，这种缺陷被称为空穴。同样，每个 P 型杂质原子在价带中产生一个空穴，如果对材料施加电势，这些空穴会漂移以传导电流。P 型半导体也可以被称为受主。
电阻率
电阻率是每种材料的特性属性，有助于根据材料传导电流的能力对不同材料进行比较。电阻率可以通过将导线的电阻 R 与横截面积 A 相乘，再除以导线的长度 L 来估算。
电导率是电阻率的倒数，也用于表征材料允许电流通过的能力。良好的导体具有最低的电阻率和高电导率。电阻率强烈依赖于材料中杂质原子的存在以及材料的温度，即在室温（20℃）下。
对于不同的导体、半导体和绝缘体，电阻率值会随温度的变化而线性变化。电阻随温度每变化 1℃的变化量被称为电阻的温度系数。这个因素用字母“α”表示。
材料的正温度系数意味着其电阻随温度升高而增加。纯导体通常具有正的电阻温度系数。材料的负温度系数则意味着其电阻随温度升高而降低。
半导体材料（碳、硅和锗）通常具有负的电阻温度系数。下表列出了不同材料的电阻率值和温度系数。
导体
导体是由电阻率低的材料制成的，电阻率值在微欧姆每米（µΩ/m）的量级。电阻率极低（约为 1×10⁻⁸Ω·m）的金属被称为导体。这些金属有大量的自由电子。
这些自由电子离开它们的母原子的价层，形成电子漂移，称为电流。因此，金属是电的优良导体。
铜、铝、金、银等金属以及碳等非金属是古老的导电材料。大多数金属导体是电的优良导体，具有较小的电阻值和高导电性。
在导电过程中，热量会通过物体传导。在导电过程中，这种热量流动可以被视为能量损失，当温度超过室温（25℃）时，这种损失会随着温度的升高而增加。
绝缘体
与导体不同，绝缘体由非金属材料制成，电阻率值在 1×10¹⁰Ω·m 的量级。非金属只有少量或没有自由电子通过其流动或在其母原子结构中，因为最外层电子被共价键紧密束缚在原子对之间。由于电子带负电，价层中的自由电子很容易被原子核中的正电荷吸引。
由于没有自由电子，当施加正电势时，材料中没有电流通过，从而具有绝缘性能。 因此，绝缘体（非金属）是电的极差导体。
玻璃、塑料、橡胶、木材、沙子、石英和特氟龙等非金属是绝缘体的典型例子。玻璃绝缘体用于高压电力传输。绝缘体用于保护热量、声音和电力。
半导体
半导体的电学性质介于绝缘体和导体之间。硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）是理想的半导体的典型例子。这些元素在其母原子结构中只有少量电子，形成晶体晶格。
基本的半导体材料硅在其最外层有四个价电子，与四个相邻的硅原子形成四个强共价键，每个原子与相邻原子共享一个电子，形成强共价键。硅原子以晶格形式排列，形成晶体结构。
通过向半导体施加外部电势，并将杂质掺杂剂掺入半导体晶格中，从而产生正负电荷的空穴，硅半导体晶体现在可以传导电流。
硅原子有 14 个电子，但轨道排列中只有 4 个价电子可供与其他原子共享。这些价电子在光电效应中起着关键作用。大量的硅原子结合在一起形成晶体结构。
在这种结构中，每个硅原子与相邻的硅原子共享其四个价电子中的一个。固体硅晶体由一系列五个硅原子的单位组成。这种硅原子的规则且固定的排列单位被称为晶体晶格。
N 型半导体
向硅晶体结构中添加磷、砷和锑等杂质，将本征半导体转变为掺杂半导体。这些杂质原子被称为五价杂质，因为它们最外层有五个价电子，可以与相邻原子共享自由电子。
五价杂质原子也被称为施主，因为杂质原子中的五个价电子与硅的四个价电子结合，形成四个共价键，留下一个自由电子。每个杂质原子在导带中产生一个自由电子。当对 N 型半导体施加正电势时，剩余的自由电子会漂移以产生电流。
N 型半导体比本征半导体材料具有更好的导电性。N 型半导体中的主要载流子是电子，次要载流子是空穴。N 型半导体并不带负电，因为施主杂质原子的负电荷与原子核中的正电荷相互抵消。
尽管由于电子-空穴对的存在，正电荷的空穴也对电流流动有一定贡献，但负电荷的电子对电流流动的主要贡献。
N 型半导体掺杂
如果向硅晶体中添加第 5 族元素，如锑杂质，锑原子会通过将锑的价电子与硅最外层的价电子结合，与四个硅原子形成四个共价键，留下一个自由电子。因此，杂质原子向结构中捐赠了一个自由电子，这些杂质被称为施主原子。
P 型半导体
第 Ⅲ 族元素，如硼、铝和铟，被添加到硅晶体结构中，它们最外层只有三个电子，形成三个封闭的共价键，留下一个共价键结构中的空穴，因此在能级图的价带中留下一个空穴。
这种作用在晶体结构中留下大量带正电的载流子，称为空穴，这是由于电子的缺失。这些第 Ⅲ 族元素被称为三价杂质原子。
丰富的空穴的存在会吸引周围的电子填补它们。只要电子在晶体硅中填补空穴，电子移动后就会在其身后产生新的空穴。这些新产生的空穴又会成功 吸引电子，从而产生更多的新空穴，导致空穴的移动，从而在半导体中形成标准的电流流动。
空穴在硅晶体中的移动使得硅晶体看起来像一个正极。只要杂质原子持续不断地产生空穴，第3族元素就被称作受主，因为杂质原子不断地接受自由电子。
在硅晶体中掺杂第3族元素会导致P型半导体的形成。在这种P型半导体中，空穴是多数载流子，而电子是少数载流子。
P型半导体掺杂
如果向半导体晶体中添加第3族元素（如硼、镓和铟），这些杂质原子具有三个价电子，会与硅晶体的价电子形成三个强共价键，留下一个空位。这个空位被称为“空穴”，由于缺少负电荷，它在图示中通常用一个小圆圈或正号表示。
半导体基础知识总结
N型材料是通过向半导体晶体中添加第5族元素（五价杂质原子）形成的，通过电子的移动传导电流。
在N型半导体中：
- 杂质原子是五价元素。
- 固体晶体中的杂质元素会提供大量的自由电子。
- 五价杂质也被称为施主。
- 掺杂使得自由电子的数量多于空穴的数量。
- 用第5族元素掺杂会导致带正电的施主和带负电的自由电子。
P型材料是通过向固体晶体中添加第3族元素（三价杂质原子）形成的。在这些半导体中，电流的传导主要是由于空穴的存在。
在P型半导体中：
- 杂质原子是三价元素。
- 三价元素会导致空穴数量多余，它们总是接受电子。因此，三价杂质被称为受主。
- 掺杂使得自由电子的数量少于空穴的数量。
- 掺杂会导致带负电的受主和带正电的空穴。
P型和N型半导体本身都是电中性的，因为传导电流所需的电子和空穴的数量是相等的（由于电子-空穴对的存在）。硼（B）和锑（Sb）被称为类金属，因为它 们是最常用的掺杂剂，用于改善本征半导体的导电性能。