什么是半导体？半导体材料具有与绝缘体和导体相同的导电特性

半导体材料具有与绝缘体和导体相同的导电特性。它们可以由纯元素(如硅或锗)组成，也可以由两种元素(如砷化镓或硒化镉)混合而成。半导体材料可以通过在纯半导体中添加杂质来掺杂，从而改变它们的导电性能。

半导体的原子结构

由于硅覆盖了地球表面的 28%，它被认为是一种常见的材料，原子序数为 14。显示了硅的原子结构：硅的外环中有四个电子，称为价电子。在某些情况下，这些价电子可以与其他原子的价电子结合。发生这种情况时，会形成共价键，从而形成晶格晶体结构。

纯硅是一种很好的绝缘体，这意味着不能通过它进行导电。但是，如果在纯硅结构中添加一些杂质，则可以改变这种半导体的导电特性。

在掺杂过程中，杂质被添加到纯半导体材料中，使其成为外在的(相对于纯半导体，这是本征的)。一些最常见的杂质类型是三价(三个价电子)，例如硼和镓，以及五价(五个价电子)，例如砷和锑。

假设纯硅半导体掺杂了五价杂质砷。砷的四个价电子将与硅的四个价电子形成共价键，而来自砷的一个电子保持自由。在这个例子中，砷基本上“捐赠”了一个自由电子给硅结构。

所有五价杂质都“提供”自由电子，被称为供体杂质。结果，在形成的结构中，通过电子进行传导，晶体被称为N型晶体。

三价杂质只能利用三个电子形成共价键;因此，将需要一个电子来完成晶格结构，并且将保留一个空穴来代替丢失的电子。因为这个空穴可以接受一个电子，所以三价杂质称为受主杂质。在所得结构中，通过空穴进行导电，晶体称为 P 型晶体。

p-n结架构

在P型半导体中，添加元素周期表的III族元素作为掺杂元素，而在N型半导体中，V族元素作为掺杂元素。在 P 型半导体中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。

p-n 结是由两种不同掺杂的半导体类型组成的界面。在 P 区，有比形成结的半导体多一个间隙(更多正电荷)的三价掺杂元素，而在 N 区，有更多电子(更多负电荷)的五价掺杂元素。

“结”是指两种掺杂(P 和 N)连接的区域。因此，如果 P 型层和 N 型层靠得很近，则在接合处会产生一个排空区。这发生在 P 区中的空穴趋向于接近 N 层并且 N 区中的电子趋向于向 P 区移动时。因此，排空区域似乎没有电荷，因为相邻的电荷相互抵消。

结果，在结中，产生了一个从右到左(从正到负)的电场，以及与电场方向相反的电位差 delta V。

半导体的 P 区也称为受主区，因为它接受电子进入其区域，而 N 区也称为施主区，因为它向 P 区提供电子。

假设 ap-n 结与电池进行电子连接。如果结的 P 区与电池的正极相连，N 区与电池的负极相连，则可以表示p-n结以直接极化方式连接。

在这种情况下，p-n 结将被电流穿过，因为 N 区域的负电荷被吸引到电池的正极。当这发生时，在克服了结的电位差之后，它们到达了电池的正极。同时，空穴被电子中和。

此外，如果 p-n 结反向连接，则应连接到与电池负极的 P 区和与电池正极的 N 区。在此期间，结内不会有电流流通，因为排空区域会扩大，不允许任何电荷通过。

二极管是具有两个端子的无源非线性电子元件，其功能是仅在一个方向上通过电流，即直接极化，而在极化反向时不让电流通过。

晶体管及其类型

晶体管的第一个工作原型是 1947 年在贝尔电话实验室开发的。晶体管的发明确实是电子领域最相关的发现之一，无论是数字还是模拟。

我们将重点介绍通过适当连接两个 p-n 结获得的双极晶体管，也称为双极结晶体管 (BJT)。更准确地说，BJT 由三个掺杂的半导体区域组成，这样：

· 称为发射极和集电极的两个横向区域属于同一类型(P 或 N)

· 中央区域，称为基底，与侧面区域的类型相反

如图 4 所示，有两种双极晶体管配置：PNP 和 NPN。将有两个潜在的障碍产生两个相反的交叉点。

为了获得晶体管效应而不是两个简单的相对二极管，必须遵守以下制造限制：

· 发射极和集电极区必须是重掺杂的，因此自由电荷丰富，而中心区必须是弱掺杂的，因此自由电荷很差。

· 底座的宽度必须非常小，厚度与势垒相当。这样，大多数充电器从发射极到集电极的时间会很短，很少有电荷可以在基极结合。

NPN和PNP晶体管的主要区别在于：

· 在 PNP 晶体管中，大多数电荷载流子是空穴，而在 NPN 晶体管中，电子是大多数电荷载流子。

· 当电流流过晶体管的基极时，NPN 晶体管导通。在 NPN 晶体管中，电流从集电极流向发射极。

· 当晶体管的基极没有电流时，PNP 晶体管导通。在 PNP 晶体管中，电流从发射极流向集电极。

晶体管可以在三种模式下工作：

· 放大器(也称为有源模式)。在这种模式下，发射极-基极结为正向偏置，而集电极-基极结为反向偏置。这样做，电流从发射极流向集电极，其值与基极电流成正比。

· 切断模式。发射极-基极和集电极-基极结都是反向偏置的。除了可忽略不计的静态电流外，没有电流流动，晶体管关闭。

· 饱和模式。发射极-基极和集电极-基极结都是正向偏置的。所有电流从发射极流向集电极，晶体管导通。

从前文所述，晶体管通常用作电流放大器，或用作启用/禁用与其连接的负载的开关。