了解半导体结的化学性质

诚然，在任何商业、高科技或重大科学应用的背后，都有一个潜在的化学机制。对于电子学的许多领域也是如此，尤其是当大多数化学领域都受电子运动支配时。虽然化学的基本原理无处不在，但充分利用化学原理的电子学最重要的领域之一可能是半导体结。

半导体结，也称为 pn 结，是两种不同类型的半导体区域（p 型和 n 型）之间的界面。从最基本的意义上讲，它是一种结，通过利用两个化学掺杂区域相遇处的特性，使电流能够沿一个方向通过。

化学如何使半导体结发挥作用

这些结内有很多化学成分，范围从掺杂构成 p 型和 n 型材料的材料到结如何传递电流。要了解这些结为何如此工作，我们必须首先了解结中涉及的半导体材料。

化学掺杂的影响

这些结中使用的半导体材料都是非本征半导体，这意味着它们是化学掺杂的；这会改变它们的电子特性。P 型半导体是掺杂了价态低于原始材料的元素的材料，而 n 型材料是掺杂了价态更高的元素的材料。

作为参考，我们将考虑硅，因为它是这些结中使用最广泛的材料之一。硅有四个价电子（因为它是第 IV 族元素），这意味着它可以与晶格中的其他硅原子形成 4 个共价键。如果用第 (III) 族元素（例如镓）代替硅原子，则掺杂的原子将只能与周围的晶格形成三个键，而不是四个。这使得晶格中缺少化学键（即原子空位），称为空穴。实际上，这些空穴充当带正电的粒子。大量的空穴也导致价带电子被激发到导带中，这就在价带内留下了空穴。

相比之下，当硅掺杂第 (V) 族元素（例如砷化物）时，这种掺杂剂能够在晶格内形成五个键。然而，由于晶格几何结构仅设计为每个原子容纳四个键（掺杂剂不会改变晶格到重新排列的程度），因此砷化物原子形成适合晶格所需的四个键，但一个额外的电子剩下的，然后变得离域。在n型半导体中，额外电子的费米能级位于带隙顶部，刚好在导带下方，这意味着离域电子很容易被激发到导带中。

应该注意的是，即使半导体的电子结构发生了局部变化，两种类型的半导体材料仍保持电子中性。这是因为它们仍然拥有与电子相同数量的质子（尽管整体数量会因掺杂而改变）。

交界处如何运作

一旦制造了 p 型和 n 型区域，这些不同半导体区域之间的界面就充当结。因此得名——pn 结。应该注意的是，通常采用单晶材料，其中一半材料为 p 型掺杂，另一半为 n 型掺杂，而不是将两种材料连接在一起——因为熔合过程通常会产生晶界（一种类型原子缺陷），可以抑制电流。

因此，结的一侧是一系列带负电的电子，另一侧是一系列带正电的空穴。结两侧的这种电荷分离产生电场，这成为 pn 结的内置场。这个电场是由带相反电荷的粒子聚集在一起并重新结合（也称为湮灭）产生的，然后排斥结的 n 侧上的电子和 p 侧上的空穴。电场活跃的界面区域称为耗尽区。这使得带正电和带负电的粒子在各自的侧面分离。为了保持结周围的中性电荷，结每一侧的电荷总数必须相同。在路口中间，

在平衡状态下，载流子的通量为零。耗尽区还充当电荷载流子在重新结合之前需要克服的势垒，并且该势垒的大小由耗尽层的厚度决定。当在结上施加正向电偏压时，额外的能量将提供给自由空穴和电子，使它们能够移动到耗尽区。这将耗尽区的宽度减小到电场无法再抵消电荷载流子运动的程度。一旦发生这种情况，电子就会渗透到结的另一侧，在那里它们与空穴重新结合。这会导致耗尽区再次增加，尽管在消除偏差之前它不会完全恢复到平衡状态。

相比之下，当对结施加反向偏置时，没有电流流过。因此，电流只会朝一个方向流动。电流不会在反向偏压下流动，因为施加的电场与耗尽层的内建电场方向相同（尽管也有例外）。在同一方向增加额外的电场会导致耗尽层增加，进而导致电阻增加。

依赖于这些结的化学性质的电子应用

尽管可以从一般角度解释“标准”半导体结的化学性质，但产生电流的确切机制可能会因所采用的电子元件和/或应用而异。在这里，我们讨论了几个与标准模型不同的常见示例。

pn 结的最大应用之一是光伏系统（太阳能电池）。在光伏结中，电流将通过光子产生。光子被吸收到结的耗尽区，这导致耗尽区（通常是硅）内的一些共价键断裂并释放电子（和空穴）。因为结连接到电路，电子移动到 p 侧并产生电流，而空穴移动到 n 侧，在那里它们与电子重新结合并恢复电中性。

二极管是另一个有效使用半导体结的领域。二极管有多种形式，其中一些使用不同的机制来产生电流。大多数二极管将按上述方式工作，并且只允许电流沿一个方向通过——通过正向偏置模式。但是，有一种称为齐纳二极管的类型使用反向偏置。一旦正极端子的电位比负极端子低得多，就会发生反向击穿，电子从 p 掺杂材料中的共价键中脱离出来，反向（雪崩）电流流动（用于调节电压在一个电路中）。

结论

总的来说，化学对半导体结很重要的原因有很多；如果没有各个化学学科的进步，现在就不可能有半导体材料（和结）。半导体结采用无机、物理、量子和材料化学（在某些情况下是有机的）原理；并且利用许多化学领域的组合负责通过使用不同的掺杂元素来改变材料的电子和化学性质的能力，以及掺杂区域之间发生的基本电子（和空穴）迁移机制，和更专业的现象，例如光子粒子通过半导体结产生电流的能力。

审核编辑：汤梓红