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半导体全面分析(一):两大特性,三大政策,四大分类!

2019-09-10 09:21
史晨星
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半导体全面分析系列分三篇,本篇是市场分析,后两篇分别是技术、产业分析,敬请关注本公众号(史晨星)。

一、两大特性

1. 能带

导体,咱能理解,绝缘体,咱也能理解,不好理解的,怕是半导体

原子组成物质时,会有很多电子混到一起,但2个相同电子没法待在一个轨道上,于是,很多轨道就分裂成了好几个轨道,这么多轨道挤在一起,不小心挨得近了,就变成了宽宽的大轨道。在量子力学里,这种细轨道叫能级,挤在一起变成的宽轨道就叫能带

有些宽轨道挤满了电子,电子不能移动,宏观上表现为不能导电

有些宽轨道空间很空旷,电子自由移动,宏观上表现为导电

有些满轨道和空轨道挨的太近,电子可以毫不费力从满轨道跑到空轨道上,于是就能自由移动,这就是导体

如果两条宽轨道之间有空隙,电子单靠自己跨不过去,表现为不导电

如果空隙的宽度在5ev之内,给电子加个额外能量,也能跨到空轨道上,跨过去就能自由移动,表现为导电。这种空隙宽度不超过5ev的固体,有时导电、有时不导电,所以叫半导体

2. 半导体

半导体 Semiconductor 是指常温下导电性能介于导体(conductor)绝缘体(insulator)之间的材料

通常金属的电导率大于一万(10 4 )Ω -1 cm -1 ,如铝、铜、银、铂等,而绝缘体的电导率则小于百亿分之一(10 -10 )Ω -1 cm -1 ,如橡胶、陶瓷、塑料等,电导率介于10 4-10 -10 Ω -1 cm -1 之间的一种固体材料,则被称为半导体

下面有点烧脑细胞

3. 掺杂特性

半导体的电导率并不是一成不变的,它会随着掺入杂质元素、受热、受光照、受到外力等种种外界条件,而在绝缘体和金属之间电导率区间内发生变化,这些特性使得半导体衍生出了较为丰富的应用场景

一种是掺入Ⅴ族元素(常用的有磷P、砷As),V族元素相比Ⅳ族的外层电子多出一个,多出的电子能够作为导电的来源,这种掺杂手段被称为N(Negative)型掺杂

另一种是掺入Ⅲ族元素(常用的有硼B、氟化硼BF2),Ⅲ族元素相比Ⅳ族的外层电子少一个,这种缺少电子的空位被称为空穴,空穴同样能够导电,对应的掺杂手段被称为P(Positive)型掺杂

PN 结

把PN这两种半导体面对面放一起会咋样?不用想也知道,N型那些额外的电子必然是跑到P型那些空位上去了,一直到电场平衡为止,这就是大名鼎鼎的“PN结”(动图来自《科学网》张云的博文)

PN结具有单向导电性,电流只能从这一头流向另一头,无法从另一头流向这一头

如果将PN结加正向电压,即P区接正极,N区接负极,多数载流子将在外电场力的驱动下源源不断地通过PN结,形成较大的扩散电流,称为正向电流

如果加个反向的电压,多数载流子扩散运动减弱,没有正向电流通过PN结,只有少数载流子的漂移运动形成了反向电流。由于少数载流子为数很少,故反向电流是很微弱的,电阻很大

一个PN 结就可以形成半导体器件中最简单的二极管(Diode),它同时也是构筑三极管(BJT )、金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)等其他众多半导体器件的基础结构

下面举个例子加深理解

为什么张无忌给女的输内力就要脱衣服,男的不用?

针对张无忌传输内功:假设男性为P型掺杂女性为N型掺杂内功为电子运动形成的电流,则有:男–男传输内功时,载流子在同掺杂半导体内运动,其情形相当于在电阻中运动,不需要克服势垒

当男–女传输内功时,电子在PN结中运动,需要克服势垒(衣服)才能流动,因此需要降低势垒

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