*半导体的种类*

当向半导体器件施加电压时，电子电流流向源极的正侧，空穴电流流向源极的负侧。这种情况只发生在半导体材料中。

硅和锗是最常见的半导体材料。一般来说，半导体的电导率介于金属和绝缘体的电导率之间。

锗作为半导体

以下是关于锗的一些要点-

• 锗的最外层轨道有四个电子。在键中，原子仅显示其外部电子。
• 锗原子将在共价键中共享价电子。如下图所示。锗是与共价键相关的那些。锗的结晶形式称为晶格。这种结构的原子排列方式如下图所示。
• 在这种布置中，电子处于非常稳定的状态，因此不太适合与导体相关联。在纯态中，锗是一种绝缘材料，被称为本征半导体。

下图显示了硅和锗的原子结构。

硅作为半导体

半导体设备也在各种电子元件的制造中使用硅。硅和锗的原子结构如上图所示。硅的晶格结构与锗相似。

以下是关于硅的一些要点 -

• 它像锗一样在最外层有四个电子。
• 纯粹的形式，它不能用作半导体器件。
• 通过添加杂质可以获得所需量的电导率。
• 杂质的添加必须在受控环境中仔细进行。
• 根据添加的杂质类型，它会产生过多或不足的电子。

下图显示了硅的本征晶体。

*半导体中的掺杂*

纯硅或锗很少用作半导体。实际可用的半导体必须添加受控数量的杂质。杂质的添加会改变导体的能力，它会起到半导体的作用。将杂质添加到本征或纯材料中的过程称为掺杂，杂质称为掺杂剂。掺杂后，本征材料变成外在材料。实际上只有在掺杂这些材料后才能使用。

当在不改变晶体结构的情况下将杂质添加到硅或锗中时，会产生 N 型材料。在某些原子中，电子在其价带中有五个电子，例如砷 (As) 和锑 (Sb)。用任何一种杂质掺杂硅都不能改变晶体结构或键合工艺。杂质原子的额外电子不参与共价键合。这些电子被它们的起源原子松散地结合在一起。下图显示了添加杂质原子后硅晶体的变化。

掺杂对 N 型材料的影响

掺杂对 N 型材料的影响如下 -

• 在纯硅中加入砷后，晶体变成了 N 型材料。
• 砷原子具有不参与共价键合过程的额外电子或负电荷。
• 这些杂质放弃或给予晶体一个电子，它们被称为施主杂质。
• N 型材料比本征材料具有额外的或自由的电子。
• N 型材料不带负电。实际上它的所有原子都是电中性的。
• 这些额外的电子不参与共价键合过程。它们可以在晶体结构中自由移动。
• N 型非本征硅晶体只需施加 0.005eV 的能量即可导通。
• 将本征晶体的电子从价带移动到导带只需要 0.7eV。

通常，在这种类型的晶体中，电子被认为是多数载流子，而空穴是少数载流子。添加到硅中的施主材料的数量决定了其结构中多数载流子的数量。

N型硅中的电子数比本征硅的电子-空穴对多很多倍。在室温下，这种材料的电导率存在明显差异。有丰富的载流子参与电流流动。电流的流动主要是由这种材料中的电子实现的。因此，外在材料成为良好的电导体。

掺杂对 P 型材料的影响

掺杂对 P 型材料的影响如下 -

• 当将铟 (In) 或镓 (Ga) 添加到纯硅中时，会形成 P 型材料。
• 这种类型的掺杂剂材料具有三个价电子。他们急切地寻找第四个电子。
• 在 P 型材料中，每个空穴都可以填充一个电子。为了填充这个孔区域，来自相邻共价键合基团的电子需要非常少的能量。
• 硅通常掺杂有 1 到 106 范围内的掺杂材料。这意味着 P 材料将比纯硅的电子-空穴对具有更多的空穴。
• 在室温下，这种材料的电导率存在非常明显的特征差异。

下图显示了当掺杂受主元素（在本例中为铟）时，硅的晶体结构是如何改变的。一块 P 材料不带正电。它的原子主要都是电中性的。

然而，许多原子团的共价结构中存在空穴。当一个电子移动并填充一个空穴时，空穴就变成了空洞。在电子离开的键合基团中产生一个新的空穴。空穴运动实际上是电子运动的结果。P 型材料只需施加 0.05 eV 的能量即可导电。

上图显示了 P 型晶体在连接到电压源时将如何响应。请注意，空穴的数量比电子的数量多。施加电压后，电子被吸引到电池正极端子。

从某种意义上说，孔向电池负极端子移动。此时会拾取一个电子。电子立即填充一个空穴。然后这个洞变成了空洞。同时，电池正极端子从材料中拉出一个电子。因此，由于电子在不同键合基团之间移动，空穴向负极移动。在施加能量的情况下，孔流是连续的。