半导体材料可按什么分类？

什么是半导体？

半导体是在导体（通常是金属）和非导体或绝缘体（如陶瓷）之间具有导电性的材料。半导体可以是砷化镓等化合物，也可以是锗或硅等纯元素。物理学解释了管理半导体的理论、特性和数学方法。

半导体示例：

砷化镓、锗和硅是一些最常用的半导体。硅用于电子电路制造，砷化镓用于太阳能电池、激光二极管等。

半导体中的空穴和电子

空穴和电子是负责半导体中电流流动的电荷载流子类型。空穴（价电子）是带正电的电荷载体，而电子是带负电的粒子。电子和空穴的大小相等，但极性相反。

电子和空穴的迁移率

在半导体中，电子的迁移率高于空穴的迁移率。这主要是因为它们的能带结构和散射机制不同。

电子在导带中传播，而空穴在价带中传播。当施加电场时，由于其运动受限，空穴不能像电子一样自由移动。电子从它们的内壳上升到更高的壳导致在半导体中产生空穴。由于与电子相比，空穴受到核的原子力更强，因此空穴的迁移率较低。

如果半导体中粒子的迁移率更高；

• 粒子的有效质量更小
• 散射事件之间的时间更长

对于 300 K 的本征硅，电子的迁移率为 1500 cm 2 (V∙s) -1，空穴的迁移率为 475 cm 2 (V∙s) -1。

4价硅中电子的键模型如下所示。在这里，当一个自由电子（蓝点）离开晶格位置时，它会产生一个空穴（灰点）。这样产生的这个空穴带走了电子的相反电荷，可以想象成正电荷载体在晶格中移动。

半导体能带理论

能带理论的引入发生在科学的量子革命期间。Walter Heitler 和 Fritz London 发现了能带。

我们知道原子中的电子存在于不同的能级。当我们试图用 N 个原子组装一个固体晶格时，一个原子的每个能级都必须在固体中分裂成 N 个能级。这种尖锐而紧密的能级分裂形成了能量带。代表一系列不具有电子的能量的相邻带之间的间隙称为带隙。

半导体中的导带和价带

价带：

涉及价电子能级的能带称为价带。它是最高占据的能带。与绝缘体相比，半导体的带隙更小。它允许价带中的电子在接收任何外部能量时跳入导带。

导带：

它是包括正（空穴）或负（自由电子）电荷载流子能级的最低未占带。它具有导电电子，导致电流流动。导带具有高能级并且通常是空的。半导体中的导带接受来自价带的电子。

什么是半导体中的费米能级？

费米能级（用 EF 表示）存在于价带和导带之间。它是绝对零处的最高占据分子轨道。这种状态下的电荷载流子有自己的量子态，通常不会相互影响。当温度升至绝对零以上时，这些电荷载流子将开始占据费米能级以上的状态。

在p 型半导体中，未填充状态的密度增加。因此，在较低能级容纳更多电子。然而，在n 型半导体中，态密度增加，因此在更高能级容纳更多电子。

半导体的特性

半导体可以在较好的条件或环境下导电。这种独特的特性使其成为一种根据需要以受控方式导电的优良材料。

与导体不同，半导体中的电荷载流子仅因外部能量（热搅动）而产生。它使一定数量的价电子穿过能隙，跳入导带，留下等量的未占据能态，即空穴。由于电子和空穴的传导同样重要。

• 电阻率：10 -5至 10 6 Ωm
• 电导率：10 5至 10 -6 mho/m
• 电阻温度系数：负
• 电流：由于电子和空穴

为什么半导体的电阻率会随温度下降？

导体和半导体之间的电阻率差异是由于它们的电荷载流子密度不同。

半导体的电阻率随温度而降低，因为电荷载流子的数量随着温度的升高而迅速增加，使分数变化，即温度系数为负。

半导体的一些重要特性是：

1. 半导体就像零开尔文的绝缘体。随着温度的升高，它起到导体的作用。
2. 由于其卓越的电学特性，半导体可以通过掺杂进行改性，以制造适用于能量转换、开关和放大器的半导体器件。
3. 较小的功率损耗。
4. 半导体尺寸更小，重量更轻。
5. 它们的电阻率高于导体，但低于绝缘体。
6. 半导体材料的电阻随着温度的升高而降低，反之亦然。

半导体的种类

半导体可分为：

• 本征半导体
• 外在半导体

本征半导体

一种本征类型的半导体材料在化学上非常纯净。它仅由一种元素组成。

本征半导体情况下的传导机制 (a) 在没有电场的情况下 (b) 在有电场的情况下

锗 (Ge) 和硅 (Si) 是最常见的本征半导体元素类型。它们有四个价电子（四价）。它们在绝对零温度下通过共价键与原子结合。

当温度升高时，由于碰撞，很少有电子不受约束并可以自由地穿过晶格，从而在其原始位置（空穴）中产生缺失。这些自由电子和空穴有助于半导体中的导电。负电荷载体和正电荷载体的数量相等。

热能能够电离晶格中的几个原子，因此它们的电导率较低。

不同温度下纯硅半导体的晶格

• 在绝对零开尔文温度下：在这个温度下，共价键非常强，没有自由电子，半导体表现为完美的绝缘体。
• 高于绝对温度：随着温度的升高，很少有价电子跳入导带，因此它表现为不良导体。

本征半导体的能带图

本征半导体的能带图如下所示：

(a) T = 0开尔文时的本征半导体，表现得像绝缘体 (b) 在 t>0 时，四个热产生的电子对

在本征半导体中，电流由于自由电子和空穴的运动而流动。总电流是由热产生的电子产生的电子电流 I e和空穴电流 I h之和

总电流 (I) = I e + I h

对于本征半导体，在有限温度下，电子存在于导带中的概率随着带隙 (E g )的增加呈指数下降

n = n 0 e -Eg/2.Kb.T

在哪里，

• 例如 = 能量带隙
• K b =玻尔兹曼常数

外在半导体

通过引入少量合适的称为杂质的替代原子，可以大大提高半导体的导电性。将杂质原子添加到纯半导体中的过程称为 DOPING。通常，10 7中只有1个原子被掺杂半导体中的掺杂原子取代。非本征半导体可进一步分为：

• N型半导体
• P型半导体

N型半导体

• 主要是由于电子
• 完全中立
• I = I h和 n h >> n e
• 多数——电子和少数——空穴

当纯半导体（硅或锗）掺杂五价杂质（P、As、Sb、Bi）时，五个价电子中的四个电子与 Ge 或 Si 的四个电子结合。

掺杂剂的第五个电子被释放。因此，杂质原子为晶格中的传导提供了一个自由电子，被称为Donar。

由于自由电子的数量通过添加杂质而增加，因此负电荷载流子增加。因此，它被称为n型半导体。

晶体作为一个整体是中性的，但供体原子变成了一个不动的正离子。由于传导是由于大量的自由电子，n型半导体中的电子是主要载流子，而空穴是少数载流子。

P型半导体

• 主要是因为坑
• 完全中立
• I = I h和 n h >> n e
• 多数——空穴和少数——电子

当纯半导体掺杂三价杂质（B、Al、In、Ga）时，杂质的三个价电子与半导体的四个价电子中的三个结合。

这使得杂质中没有电子（空穴）。这些准备接受键合电子的杂质原子被称为受体。

随着杂质数量的增加，空穴（正电荷载体）增加。因此，它被称为p型半导体。

晶体整体是中性的，但受体变成了不动的负离子。由于导电是由于大量的空穴，p型半导体中的空穴是多数载流子，电子是少数载流子。