半导体
半导体指能带结构具有小的能隙的材料,允许在低温下的导电性有限,在高温下的导电性增加。掺杂半导体,其性质已被少量杂质改变,可用于构建具有所需电学性质的半导体结。半导体器件构成了许多现代电子器件的基础,如集成电路和发光二极管。
能带结构
从根本上说,材料的导电性必须用量子力学来解释。但这并不应该太令人惊讶:否则我们怎么能解释原子序数仅相差1或2的元素材料的性质却有巨大的差异呢?显然,答案必须在原子级别上。
作为一个简单的模型,考虑一维周期势 组成的δ函数以原点为中心,间隔为 .每个函数表示晶格中的一个固定核:
此外,为了简单起见,假设经过大量的周期之后 , -轴“绕”,因此 变成了
我们可以证明势的周期性要求解 到薛定谔方程必须满足
对于一些 .同时,自由粒子波函数看起来像
为 ,在那里 是系统的能量。解 而且 收益率
事实证明 ,在那里 是一个整数。因为人们通常 , 可以取任意值 而且 .由于方程两边的周期性,相应的允许 等价地,允许能量 来一些集群称为乐队.这些波段以差距.
在任何给定的材料中,任何数量的能带可能全部或部分被电子占据,也可能是空的。考虑能量最高的全占据带,所谓的价带下一个更高的波段,是导带.
如果导带部分被填满,那么电子相对容易被激发,因为导带内有许多紧密间隔的能级是可接近的。具有这种带结构的材料往往是导体它的电子具有很强的流动性。
如果导带是空的,那么电子就很难被激发。没有更多的电子可以被放置在价带内,因此激发一个电子需要足够的能量才能跳过间隙进入传导带。在一个绝缘子当能量缺口大于可用热能时,电子保持相对不移动。
在一个半导体时,导带为空,但能隙相对较小,约为 或更少。虽然在非常低的温度下可用的热能仍然不足以跨越间隙,但在稍高的温度下,有可能激发电子进入传导带。虽然半导体中的电子通常不像导体那样可移动,但半导体确实显示出某种程度的导电性。
杂质与半导体器件
当一个电子从价带被激发到导带时,a洞在价带中。许多元素,如锗和硅,都是本征半导体在导带中的电子数量和在价带中的空穴数量一样多。一旦空穴形成,附加的电子就可以通过占据空穴而移动。
然而,人们也可以通过合成的过程来制造半导体兴奋剂或者向其他元素中添加特定的杂质。 类型半导体含有含有额外价电子的杂质,这些价电子位于导带底部的正下方,使杂质原子(这里称为杂质原子)很容易产生捐赠)向传导带提供一个电子。 类型半导体含有价电子不足的杂质,价电子正位于价带上方。杂质原子(这里称为受体)从价带中拿走一个电子,从而在价带中产生一个空穴,从而允许进一步的激发。
不同掺杂的半导体可以组装成各种类型的结,这些结以不同的方式控制电子的流动,或在电子电路中执行各种功能。例如,典型的 - 结由一层 型半导体的样品 类型的材料。在正常的操作条件下,电流很容易流入正向偏压从 来 但不是反过来。
晶体管它可以作为放大器和开关,由几个组成 - 连接。一个双极结型晶体管由一个 - - 或 - - 配置。另一种常见类型是a场效应晶体管,通常由 双晶硅 型区域蚀刻在上面,漏和源。
集成电路可以通过在一平方厘米或更小的小芯片上蚀刻数百万个晶体管和其他组件来制造。现代半导体产业允许生产支持现代技术所需的计算设备的规模。
参考文献
[1]格里菲斯,D.J.量子力学概论.第二版。皮尔森,2004年。
[2]年轻,收听距离大学物理.13版。皮尔森,2012年。