誠然，在任何商業(yè)、高科技或重大科學應用的背后，都有一個潛在的化學機制。對于電子學的許多領域也是如此，尤其是當大多數(shù)化學領域都受電子運動支配時。雖然化學的基本原理無處不在，但充分利用化學原理的電子學最重要的領域之一可能是半導體結。

半導體結，也稱為 pn 結，是兩種不同類型的半導體區(qū)域（p 型和 n 型）之間的界面。從最基本的意義上講，它是一種結，通過利用兩個化學摻雜區(qū)域相遇處的特性，使電流能夠沿一個方向通過。

化學如何使半導體結發(fā)揮作用

這些結內有很多化學成分，范圍從摻雜構成 p 型和 n 型材料的材料到結如何傳遞電流。要了解這些結為何如此工作，我們必須首先了解結中涉及的半導體材料。

化學摻雜的影響

這些結中使用的半導體材料都是非本征半導體，這意味著它們是化學摻雜的；這會改變它們的電子特性。P 型半導體是摻雜了價態(tài)低于原始材料的元素的材料，而 n 型材料是摻雜了價態(tài)更高的元素的材料。

作為參考，我們將考慮硅，因為它是這些結中使用最廣泛的材料之一。硅有四個價電子（因為它是第 IV 族元素），這意味著它可以與晶格中的其他硅原子形成 4 個共價鍵。如果用第 (III) 族元素（例如鎵）代替硅原子，則摻雜的原子將只能與周圍的晶格形成三個鍵，而不是四個。這使得晶格中缺少化學鍵（即原子空位），稱為空穴。實際上，這些空穴充當帶正電的粒子。大量的空穴也導致價帶電子被激發(fā)到導帶中，這就在價帶內留下了空穴。

相比之下，當硅摻雜第 (V) 族元素（例如砷化物）時，這種摻雜劑能夠在晶格內形成五個鍵。然而，由于晶格幾何結構僅設計為每個原子容納四個鍵（摻雜劑不會改變晶格到重新排列的程度），因此砷化物原子形成適合晶格所需的四個鍵，但一個額外的電子剩下的，然后變得離域。在n型半導體中，額外電子的費米能級位于帶隙頂部，剛好在導帶下方，這意味著離域電子很容易被激發(fā)到導帶中。

應該注意的是，即使半導體的電子結構發(fā)生了局部變化，兩種類型的半導體材料仍保持電子中性。這是因為它們仍然擁有與電子相同數(shù)量的質子（盡管整體數(shù)量會因摻雜而改變）。

交界處如何運作

一旦制造了 p 型和 n 型區(qū)域，這些不同半導體區(qū)域之間的界面就充當結。因此得名——pn 結。應該注意的是，通常采用單晶材料，其中一半材料為 p 型摻雜，另一半為 n 型摻雜，而不是將兩種材料連接在一起——因為熔合過程通常會產生晶界（一種類型原子缺陷），可以抑制電流。

因此，結的一側是一系列帶負電的電子，另一側是一系列帶正電的空穴。結兩側的這種電荷分離產生電場，這成為 pn 結的內置場。這個電場是由帶相反電荷的粒子聚集在一起并重新結合（也稱為湮滅）產生的，然后排斥結的 n 側上的電子和 p 側上的空穴。電場活躍的界面區(qū)域稱為耗盡區(qū)。這使得帶正電和帶負電的粒子在各自的側面分離。為了保持結周圍的中性電荷，結每一側的電荷總數(shù)必須相同。在路口中間，

在平衡狀態(tài)下，載流子的通量為零。耗盡區(qū)還充當電荷載流子在重新結合之前需要克服的勢壘，并且該勢壘的大小由耗盡層的厚度決定。當在結上施加正向電偏壓時，額外的能量將提供給自由空穴和電子，使它們能夠移動到耗盡區(qū)。這將耗盡區(qū)的寬度減小到電場無法再抵消電荷載流子運動的程度。一旦發(fā)生這種情況，電子就會滲透到結的另一側，在那里它們與空穴重新結合。這會導致耗盡區(qū)再次增加，盡管在消除偏差之前它不會完全恢復到平衡狀態(tài)。

相比之下，當對結施加反向偏置時，沒有電流流過。因此，電流只會朝一個方向流動。電流不會在反向偏壓下流動，因為施加的電場與耗盡層的內建電場方向相同（盡管也有例外）。在同一方向增加額外的電場會導致耗盡層增加，進而導致電阻增加。

依賴于這些結的化學性質的電子應用

盡管可以從一般角度解釋“標準”半導體結的化學性質，但產生電流的確切機制可能會因所采用的電子元件和/或應用而異。在這里，我們討論了幾個與標準模型不同的常見示例。

pn 結的最大應用之一是光伏系統(tǒng)（太陽能電池）。在光伏結中，電流將通過光子產生。光子被吸收到結的耗盡區(qū)，這導致耗盡區(qū)（通常是硅）內的一些共價鍵斷裂并釋放電子（和空穴）。因為結連接到電路，電子移動到 p 側并產生電流，而空穴移動到 n 側，在那里它們與電子重新結合并恢復電中性。

二極管是另一個有效使用半導體結的領域。二極管有多種形式，其中一些使用不同的機制來產生電流。大多數(shù)二極管將按上述方式工作，并且只允許電流沿一個方向通過——通過正向偏置模式。但是，有一種稱為齊納二極管的類型使用反向偏置。一旦正極端子的電位比負極端子低得多，就會發(fā)生反向擊穿，電子從 p 摻雜材料中的共價鍵中脫離出來，反向（雪崩）電流流動（用于調節(jié)電壓在一個電路中）。

結論

總的來說，化學對半導體結很重要的原因有很多；如果沒有各個化學學科的進步，現(xiàn)在就不可能有半導體材料（和結）。半導體結采用無機、物理、量子和材料化學（在某些情況下是有機的）原理；并且利用許多化學領域的組合負責通過使用不同的摻雜元素來改變材料的電子和化學性質的能力，以及摻雜區(qū)域之間發(fā)生的基本電子（和空穴）遷移機制，和更專業(yè)的現(xiàn)象，例如光子粒子通過半導體結產生電流的能力。

審核編輯：湯梓紅