半导体和导体导电性,为什么半导体导电性比导体差

2022-08-01 17:55:21 基金数据

　　又是一个阳光明媚的日子。蓝天下，温暖的春风悄悄摸了摸这个微小而复杂的芯片。这个芯片就像一个大都市，以硅为主要成分的半导体在这里安居乐业，享受着这个大都市的繁华，带着春天的气息。　　

　　今天，一对夫妇来到这个大都市的民政局。其中一个穿着硼大衣，脚上都是洞。另一个穿着沾满磷的衣服，踩在迷幻的电子云上。　　

　　民政局的窗台上，一个正在工作的热源热情地招呼着他们，微笑着问：“你们是来领结婚证的吗？” 　　

　　硼服男子微微点头，答道：“是的。我是掺硼的P型半导体，叫小硼；她是掺磷的N型半导体，名字叫小磷。我们计划今天结婚，正式成为一对PN结，永不分离，一起为芯片的二极管事业而努力！” 　　

　　工作热源一听，温和地对他们说：“请先取个号~里面请。” 　　

　　回想两个小时前，在滚烫的火炉里，小林正忙着做基板。这时，从氮化硼和硅之间的界面扩散的小硼出现了。当小-P的手和小-B握在一起的时候，她感觉到对方的空穴慢慢流向自己的身体，自己的电子也不由自主地流向对方，似乎产生了爱的电流。从这一刻起，他和她已经知道，他们注定要在一起度过余生。　　

　　为什么小硼和小磷这么有缘？这也要从他们的前辈半导体的人生经历说起。　　

　　材料三兄弟，谁是半导体？　　

　　在材料物理的世界里，有这三兄弟：　　

　　大哥求贤若渴，他渴望电流。他能管好电，把器件接起来，就是为了利用自己体内流动的电子，恢复器件两端的电位，让电源流出的电流回到旧都。由于大哥的善良和宽广的胸怀，人们常常把他做成电线和线圈，称之为导体。　　

　　二哥从前在美国，勇敢而足智多谋。他可以传导能量，也可以抵抗能量，但不拘泥于欧姆定律。他的抵抗力会随着外界环境的各种参数而变化。但是在沾染了少量的杂质之后，他会对这种杂质产生很大的重视，它的表现就会发生很大的变化。我哥人品太好了，大家都把他当“材料圣人”，把他放在很多重要场合，比如逻辑ic，内存，甚至芯片。对，二哥叫半导体。　　

　　三哥生性鲁莽直爽。无论两端加多少电位差，他都要战斗，战斗到底。无论外界环境是高是低，是晴是雨，他都不会允许任何电流通过他的身体。第三种是我们日常生活中需要的绝缘体，如插头外壳、电线护套等。　　

　　你在炒CP，半导体在炒NP。　　

　　一般半导体有上下两个能带，上面的称为导带(一般标为C)，下面的称为价带(一般标为V)。绝对零度时，价带全是电子，导带没有电子。随着温度的升高，价带中的少量电子(N)会被激发到导带；电子被激发后留在价带中的空位称为空穴(P)。CP在半导体理论中是不能炸的，因为导带中没有空穴的概念。　　

　　如果你不给半导体添加任何东西，那么这个半导体就是本征半导体。此时，电子和空穴的数量相等。　　

　　但如果在半导体中加入一些VA族元素(如磷、P)，那么由于这种杂质原子与硅(Si)等IV族元素相比多了一个核外电子，磷原子与周围的硅原子牵手后会多一个电子。这个电子在半导体中会变成自由电子，大大增加了半导体的导电性。这种半导体是N型半导体。从能带来说，在导带以下的位置会有一个额外的带电子的能带，电子从这个能带更容易跳到导带。　　

　　而如果在半导体中加入一些IIIA族元素(比如硼，B)，那么由于这个杂质原子比硅(Si)等IV族元素的原子少了一个核外电子，当硼原子与周围的硅原子牵手时，一只手握不住，握不住的手就是空穴。空穴出现后，其周围会有一个电子填补空穴，电子原来的位置就变成了空穴。这一过程继续后，形成了流动的空穴，这也大大增加了半导体的导电性。这种半导体是P型半导体。在能带方面，价带上方一点会有一个空的能带，价带中的一些电子会跑到这个能带，从而在价带中留下空穴。　　

　　左图为n。　　

型半导体，右图为p型半导体

NP结合，就是最强CP

如果一块n型半导体和一块p型相互接触，会变成什么呢？

首先，n型半导体中的电子会向p型半导体涌来，p型半导体中的空穴也会向n型半导体跑去。那一刻，他们之间形成了强大的电流，让他们难分难舍，形影不离。这，就是n、p之间的热恋期。

后来，两块半导体的情绪都稳定了下来。他们相互接触的那个位置上，流动的电子和空穴都被电场扫了出去，只剩下固定的正电荷和负电荷。这个接触的位置，就是空间电荷区。而两块半导体连接的整整一块区域，就叫做pn结。

NP双方互有差异，但是接触后他们会互相迁就，让彼此的费米能级(上图(3)中的虚线)相互平等。因此，pn结中的能带会弯曲。

正是这个弯曲，让pn结具有单向导电性。当加上正向电压后，能到弯曲度减小，电子和空穴又可以重新移动，这时pn结处于导通的状态；而加上反向电压时，能带弯曲加大，使得电子和空穴都被阻挡在了弯曲处的两边，彼此不相往来，这时pn结处于截止的状态。能屈能伸，令行禁止，这正是这对最强CP的魅力所在。

pn结电流随两端电压的变化曲线

你还可以导通的pn结记作“1”，将截止的pn结记作“0”；而世界中纷杂的数据，不就是由许许多多的“1”和“0”所组成的吗？存储数据的芯片，其实本质上就是由一个个pn结所组成的。无论是五彩斑斓的图片，还是绘声绘色的视频；无论是娓娓动人的电影，还是火光四溅的手游；无论是变化多端的图像，还是九曲十八弯的算法。它们本质上，就是芯片中的一对对pn情侣造就的虚拟世界，是无数个半导体CP爱情的美好印证。