电子学

电子学是研究电子运动和控制的科学分支。

主要电子元件

电阻：它限制了电流的流动，因此，电阻是用来控制电路中的电压的。

电容器：它被用来在两块板之间以电荷的形式出储存能量。

电感器：以磁能的形式储存电能。

材料概述

在材料学中，材料主要被分为导体，绝缘体和半导体

导体(Metals):能让电流或热通过的材料被称为导体。

绝缘体(Insulators)：不允许电流或热通过的导体

半导体(Semiconductors)：介于导体和半导体之间具有导电性的材料

半导体广泛应用于各种电子器件，如晶体管、集成电路和二极管。

能带图（Energy band Diagram）

原子是不能再细分的最小粒子。

质子（Proton），中子（Neutron）和电子（Electon）.Center of the atom is called nucleus(原子核)

1.原子核包含质子和中子
2.原子的最外层叫做电子壳层，里面有电子。
3.电子绕原子核旋转。

传导带（CB）和价带（vB）是如何形成的？
情况1：假设：所有原子彼此之间都很远。
注：所有原子第一轨道上所有电子的能量保持不变。

Conduction band 导带
Forbidden energy gap 禁能隙
Valance band 价带

在晶体中，由于引力和斥力的关系，每个电子都有不同的能级。
在任何固体中，都有两种类型的带：价带和导带。

完全最高的填充或部分填充的能带为价带（Valance band ）

最低未填充能量叫做导带（Conduction band）

$E_v$为价带中的最大能量，$E_c$为能带中的最小能量。带隙能量（band Gap）$E_g$是$E_v和E_c$之间的差值，两个能带之间的区域又叫禁带隙，电子不能位于禁带隙中。

一个电子从价带中获取足够的能量运动到导带中的过程叫做跃迁。

如下如，分别为导体，半导体和绝缘体的能带图

所有的原子在任何固体中都是紧密结合的

在晶体中，由于引力和斥力的关系，每个电子都有不同的能级。

绝缘体：
1.导带为空。这些材料不允许电流通过。
玻璃和塑料是绝缘体的例子。
2.它们具有高电阻率和非常低的导电性。绝缘体中的能隙在6ev左右非常高。
注：导带与价带之间的间隙称为带隙（Eg）。
3.要将电子从价带移动到导带，需要大量的能量（超过6ev），这实际上是不可能的。
4.因此，电子从价带移动到导带是不可能的。

半导体：
1.锗和硅是电性能介于导体和绝缘体之间的最佳材料。
2.两个带之间的禁隙非常小，约为1eV。
11注：导和价带之间的间隙称为禁带隙或禁带隙（Eg）。
3.在低温或绝对零度温度下，半导体表现得像绝缘体。
4.即使在室温下，价带中的电子获得的能量也大于能隙，因此电子进入传导带。

导体：

1.在价带和导带之间没有禁带隙，导致了两个带的重叠。
2.在室温下，传导带中自由电子的数量是可用的。电导带几乎充满了电子。

在绝对零度时，半导体是绝缘体，因为是导带中不存在电子.

在绝对0度和没有外界激发时,价电子被共价键束缚，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），不导电，相当于绝缘体。

导体价带与导带之间的能带间隙为0

化学键（Chemical Bonding）

离子键（lonic Bonding）

金属和非金属之间通过电子的完全转移而形成离子键，去达到稳定状态（stability）

金属键（Metallic bonding）

共价键合（Co-valent bonding）

共价键是当两个原子共享一个或多个电子对时形成的键.

每个原子为键的形成贡献了相等数量的电子。

本征和非本征半导体(Intrinsic and extrinsic Semiconductor)

本征半导体

1.本征半导体被称为纯半导体，它只由单一类型的元素组成。

2.本征半导体最常见的例子是硅（Si）和锗（Ge），它们属于元素周期表的第IV组。

3.硅和锗的原子序数分别为14和32。

4.这表明Si和Ge的最外层轨道各有4个电子。这些电子是最外层电子 （valence electrons），用于半导体的传导

5.为了完成它的八隅体，附近的原子通过共用价电子形成共价键。

6.所有的共价键都是稳定的，没有自由电子可用于传导。在这里，本征半导体充当绝缘体（insulator）或非导体。

温度对本征半导体的影响

1.在绝对零度下，共价键非常强或紧密结合，没有目由电子可用来传导电流。（表现为绝缘体）

2.换句话说，如果温度升高，一些共价键会断裂；一个电子的去除会在其后面留下一个空位，即键中缺少一个电子。这种缺失的电子称为空穴。

3.共价键中缺少电子的现象称为空穴。

4.在固有半导体中，产生相同数量的电子和空穴，因此它表现出电中性

非本征半导体

1.本征半导体的电导率（conductivity）不好。由于其导电性低，被认为不适合在电子器件中使用。

如何提高电导率？

2.掺杂（doping）：将杂质添加到半导体中的过程称为掺杂。

3.添加杂质的半导体称为不纯（impure）或非本征半导体

将杂质添加到半导体中的过程称为掺杂。

4.在纯材料中加入少量合适的杂质，使其电导率提高数倍.

一些常用的掺杂剂Some Commonly Used Dopants

5.五价原子：原子价为5（元素周期表中第5族）的原子；如碑（as）、磷锦（Sb）等。

6.三价原子：原子价为3（元素周期表中第3组）的原子；如铟（In）、铝（AI）、硼（B）等。

注：当导带中有足够或足够的电子数时，任何材料都参与导通。

非本征半导体：N型半导体

1.n型半导体是一种与五价杂质掺杂的非本征半导体。

2.在纯半导体中加入五价杂质，以增加导电所需的电子数量。

3.五价杂质在其最外层轨道上有五个电子。

五价杂质的例子是磷[15]（P），碑[33]（As），锦（Sb）[51]

4.在n型半导体中添加五价杂质，使原始本征半导体的晶体结构不受干扰。

5.五价杂质原子与四个硅原子形成共价键，第五个电子不与任何硅原子成键

6.在n型半导体中，这第5个电子主要产生电流。

让我们假设六个电子来自六个不同的磷元素。

在室温下，电子-空穴对由于共价键的断裂而产生。
假设两个共价键被打破这意味着产生了两个电子和两个空穴。
总的来说，它现在有8个电子和2个空穴。

换句话说，在n型半导体中电子增加了；所以电子电流会很大而空穴电流会很小。
为了区分它，科学家用了两个词：多数电荷(majority charge)（i.e.Electron）和少数电荷(minority)（i.e. Hole）。

7.每个五价杂质原子给n型半导体提供一个电子，因此被称为供体杂质(Donor impurities)。

DD 在这里，每个电子都与带正电的离子。 ## 非本征半导体：P型半导体 1.p型半导体是一种非本征半导体。 2.当三价杂质被添加到固有的或纯的半导体（硅或锗）中时，它被称为p型半导体。 3.三价杂质，如硼[5]（B），镓[31]|（Ga）铟[49]（In），铝[13] （AI）等 4.三价杂质有三个价电子，它们与三个si原子形成共价键。因此，第四个共价键由于短缺而不完整的电子。这个缺失的电子被称为空穴。 5.空穴的行为类似于能接受电子的止电何。因此被称为受体杂质。 6.p型半导体中的电流主要由空（hole）贡献。换句话说，在 p型半导体中，空穴有所增加；所以空穴电流会很大，而电子电流会很小。为了区分它，科学家用了两个词：多数电荷（i.e. Hole）和少数电荷（i.e. Electron）。 ## 11、电子和空穴 1.这个空白空间被认为是在原子的特定位置没有一个电子的情况下的空穴。 2.这个洞的行为与正电荷相似。这个空的空间吸引了邻近原子的一个电子。本征半导体中的总电流是空穴和电子的总和。电流。总电流=电子电流+空穴电流 $\mathbf I=\mathbf I_{hole}+\mathbf I_{electron}$ 3.因此我们得出了空穴和电子向相反方向运动的结论 4.空穴和电子是两种载流子；它们负责半导体中的电流。 note：空穴不是电子那样的物理粒子；在半导体材料中，孔洞似乎从一个原子传递到另一个原子。 [Semiconductors - Types, Examples, Properties, Application, Uses (byjus.com)](https://byjus.com/jee/semiconductors/#holes-and-electrons) ## 12,质量作用定律(mess action law) [Law of mass action (physics-and-radio-electronics.com)](https://www.physics-and-radio-electronics.com/electronic-devices-and-circuits/semiconductor/law-of-mass-action.html) 在热平衡下，电子浓度数与空穴浓度数的乘积为常数或等于本征载流子浓度的平方。 $n_i$=内在载流子浓度 n=单位体积的自由电子数 p=每单位体积的自由空穴数 2.质量作用规律与添加的给体和受体杂质量无关。 ### 非本征半导体电子的浓度远远大于空穴的浓度空穴的浓度远远大于电子的浓度掺杂后电子与空穴的复合速率增加。因此，product保持不变。因此我们可以说它独立于给体和受体的杂质。 ### n型和p型半导体的质量作用定律 $n_n$=n型半导体的电子数 $p_n$=n型空洞的电子数 #### p型半导体 $p_p$=p型半导体的空穴数 $n_p$=p型半导体的电子数对于非本征半导体，质量作用定律表明：多数载流子和少数载流子的乘积是恒定的。 ### 基于质量作用定律的问题 | 名称 | | | -------------------- | ---------- | | Potential difference | 潜在差异 | | Electric Field | 电场 | | Current Density | 当前密度 | | Conductivity | 电导率 | | Resistivity | 电阻率 | | Proportional | 成比例的 | | Reciprocal | 倒数 | | Electron Mobility | 电子迁移率 | | Hole mobility | 空穴迁移率 | 1.电子沿外加电场的相反方向流动 2.空穴在外加电场的作用下沿同一方向流动。 Vd是漂移速度流动（$\mu$）：单位电场的漂移速度称为迁移率。 $$ \mu=V_{\mathrm{d}}/E $$ $\mu$：电子的迁移率 $v_d$:漂移速度 E：施加电场换句话说，迁移率是衡量在外加电场或存在的情况下，电子在金属或半导体中移动的速度或容易程度在外加电场的存在下，电子在金属或半导体中移动的能力称为电子迁移能力。 $$ I=I_e +I_h $$ 1.电子产生的电流$I_e$ $I_e = neAv_d$ $I_e = neA \mu_e E$ 2.空穴电流 $I_h = peAv_d$ $I_h= peA \mu_h E$ 3.电子和空穴产生的总电流 $I= I_e +I_h$ $I = neA \mu_eE + peA\mu_hE$ $I = EA[ne\mu_e +pe\mu_h]$ $\frac{I}{A}=E[ne\mu_e+pe\mu_h]$ 其中，$\frac{I}{A}=J$,$[ne\mu_e+pe\mu_h]=\sigma $ $J = \sigma E$ $\sigma = ne\mu_e + pe\mu_h$ $\sigma \approx ne\mu_e$ ## 16,无偏置下的PN结 [Zero bias pn junction (physics-and-radio-electronics.com)](https://www.physics-and-radio-electronics.com/electronic-devices-and-circuits/semiconductor-diodes/zero-bias-pn-junction.html) | | P-型 | N-型 | | ---------- | ---- | ---- | | 多数充电器 | 空穴 | 电子 | | 少数充电器 | 电子 | 空穴 | P-n结是通过连接n型和p型半导体材料形成的。p型和n型之间的边界称为PN结。 PN结有三种可能的偏置条件：偏置：如果在PN结二极管的两端施加外部电压（外部电）。 A.no bias / zero bias 零偏 / unbias B.Forward bais 正向偏向 C.Reverse bias 反向偏向 ### 无偏置下的PN结无外部电压的p-n结称为零偏p-n结。

N区的电子浓度更高与P区相比。因此，存在扩散电子从N区到P区

同样，p区域的孔洞浓度高于n区域。因此，有一种扩散从P区到n区。

从p区流出的空穴揭示了带负电荷的受体离子，从n区流出的电子揭示了带正电荷的供体离子

在载流子从P向N和N向P运动的过程中，在接点处出现的电位差称为势垒电位，它起势垒作用。

由于这个电位差，就产生了电场。

一旦在结附近建立势垒电位。电荷载流子不可能从P到N和从N到P进一步移动（运动）