半导体材料和器件基础知识介绍

什么是半导体？

“半导体”一词已与二十世纪下半叶迅速改变人类生活的尖端电子技术联系在一起。但是，就其本身而言，半导体并不十分引人注目：它只是一种具有中等导电性的材料-也就是说，它的导电性比导体小，但比绝缘体大。

热能使价电子脱离半导体的晶格结构，从而变成“自由”电子。这些移动电子是可以在施加的电场的影响下移动的负电荷，这些自由电子留下的空穴起移动正电荷的作用。电子和空穴都参与半导体电流，并且半导体中的电学性质受材料中存在的自由电子和空穴的数量影响。

左边表示半导体的规则晶格，右边为电子-空穴对。

普通的未经掺杂的半导体无法提供有效导电的电子。将半导体转变为技术革命手段的第一步称为掺杂。

半导体掺杂

我们可以通过将其他材料注入晶格结构来控制半导体中载流子的数量。更具体地说，我们注入具有不同价电子数量的材料。

假设我们的半导体是硅（Si），它是IV组元素，因此具有四个价电子。如上图所示，硅原子通过共价键结合成规则的晶格结构。诸如磷（P）之类的V组元素具有五个价电子，如果我们向硅中注入磷，每个注入的原子都会向半导体的晶格中引入一个自由电子：

用V族元素掺杂会引入自由电子。

在这种情况下，磷起掺杂剂的作用，而硅成为n型半导体：它通过掺杂获得了额外的自由电子，并且在施加电场时，电流主要归因于具有负电荷的电子。因此，在n型半导体中，电子是多数载流子，而空穴是少数载流子。

另一方面，如果我们用III族元素（例如硼（B））掺杂，则每个掺杂原子都会引入一个额外的空穴。这将硅变成p型半导体：空穴的数量超过了自由电子的数量，电流的流动将主要归因于正电荷的运动。因此，在p型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。

用III族元素掺杂会引入空穴。

注入元素并不是掺杂过程中唯一的变量。我们还可以控制掺杂剂浓度，从而影响半导体的电性能。当半导体包含相对较高浓度的掺杂原子时，我们称其为重掺杂。如果它包含相对较低浓度的掺杂剂原子，则将其轻掺杂。例如，场效应晶体管将重掺杂硅用作源极和漏极区域。

结论

如果目标是制造有用的电子组件，那么掺杂材料本身并没有比原始半导体更好。但是，当我们将n型半导体与p型半导体相邻放置时，一切都会改变，此结构称为pn结。