问题

完全纯净的半导体和普通半导体有什么区别?

回答
咱们聊聊半导体这东西,尤其是“纯净”和“普通”半导体之间的区别,这可不是一句两句话能说清的,得掰开了揉碎了讲。

你想啊,半导体这玩意儿,就像个特别敏感的姑娘,一点点杂质都能让她情绪波动,影响她做事。所以,讲半导体,最根本的就是要聊“纯度”。

“纯净”的半导体,顾名思义,就是纯得不能再纯了。

咱们平时说的那种纯净,可能让你想到空气清新、水质干净。在半导体领域,这“纯净”是指它的晶格结构里,除了构成半导体本身的原子(比如硅、锗),几乎没有其他任何杂质原子。

想象一下,你有一大堆排列整齐的积木,它们都是同一种颜色、同一种形状,完美地搭成了一个牢固的结构。这就是理想中的纯净半导体。在这样的结构里,所有的原子都按照预设的规则排列,形成了一个非常“有序”的世界。

那么,为什么要有这么“纯净”的半导体呢?

因为它构成了所有半导体器件的基础。 就像盖房子得有地基一样,无论是你手机里的芯片、电脑里的处理器,还是电视机里的屏幕,最核心的部分都是由半导体材料构成的。如果这个基础材料本身就乱七八糟,那上面的所有设计和功能都得受影响。
它能让你精确地控制材料的电学性质。 在纯净的半导体里,电流的流动基本是由它本身的电子(或者空穴)来决定的。你可以想象一下,在一个空旷的场地里,大家都能自由自在地跑动。当你想让它导电,你就只需要给它一个“推力”(比如加电压),它的电子就会带着电荷流动。
它是“设计”的起点。 很多时候,我们想要的半导体特性并不是材料本身天生就有的。我们想让它导电性更强、或者更弱,想让它在某个条件下导电,在另一个条件下不导电。这些“设计”和“控制”,都是建立在对纯净材料的理解和操作之上的。

那“普通”半导体呢?

这里的“普通”其实包含了两种情况,而且它们是紧密联系的。

1. “杂质”的存在。 刚才说了,半导体像个敏感的姑娘,一点点杂质都能让她不一样。这里的“杂质”并非我们日常理解的脏东西,而是在半导体晶格中有意或无意地掺入的其他种类的原子。
有意为之的杂质: 这才是半导体器件的核心秘密武器。我们通过非常精确地、非常有策略地在纯净的半导体中加入极少量的特定元素(比如在硅中加入磷、砷等形成N型半导体,或者加入硼、镓等形成P型半导体),来改变其导电性质。这就好像在那个空旷的场地里,你故意放了一些会主动吸引别人过来或者主动推开别人的“魔法师”。这些“魔法师”就是杂质原子,它们会提供额外的电子(N型)或者“带走”电子(P型,形成空穴),从而极大地增强了半导体导电的能力,而且是可控的导电能力。这就是我们常说的“掺杂”。
无意产生的杂质: 在材料的提纯和制造过程中,即使再怎么小心,也难免会引入一些微量的、不是我们想要控制的杂质。这些杂质可能会起到“破坏者”的作用,比如捕获电子或者空穴,阻碍电荷的流动,影响器件的性能和寿命。

2. “经过处理”的半导体。 “普通”半导体不仅仅是指材料本身的纯度,更包含了经过掺杂和加工后,已经具备了特定电学功能的半导体材料。

掺杂的意义: 想象一下,纯净的半导体就像水,本身不导电(或者导电性非常弱)。我们通过掺杂,就好像在水里加了电解质,让它变成了导电的盐水。通过控制掺杂的种类和浓度,我们可以制造出P型半导体(缺少电子,有空穴)和N型半导体(有多余电子)。
PN结的诞生: 将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起,就形成了一个叫做“PN结”的神奇结构。这个PN结是所有现代电子器件的基础,它拥有“单向导电”的特性,也就是电流只能从P型流向N型,而不能反过来。这就像一个单向阀门,控制着电的流动方向。
更复杂的结构: 经过更复杂的掺杂和制造工艺,我们还能得到晶体管(放大信号、开关)、二极管(整流)、LED(发光)等等。这些都是“普通”半导体材料(已经被掺杂和加工)的杰作。

所以,总结一下,这两者最大的区别在于“纯度”和“功能性”:

“纯净”半导体: 是一个纯粹的、未经过“改造”的材料基础。它的目标是尽可能地减少一切对晶格完整性的干扰,以保证材料本身的物理特性(比如带隙、载流子迁移率等)是“标准”的,便于后续精确的“设计”和“控制”。你可以把它看作是原材料。
“普通”半导体: 是在纯净半导体基础上,通过精确的掺杂(加入特定杂质)和制造工艺,赋予了其特定的电学功能(如导电、开关、放大等)的材料。它是一个已经“工作”的、具备了特定用途的半导体材料。你可以把它看作是半成品或成品。

为什么这个区别很重要?

科学研究: 在研究半导体材料本身的性质时,研究人员需要使用极高纯度的材料,以避免杂质的干扰,准确测量材料的本征特性。
器件制造: 芯片制造是一个极其精密的工程。从原材料的高纯度到后续的掺杂、刻蚀、沉积等每一个步骤,都对材料的纯度和精确控制有着极高的要求。一点点杂质的“跑位”,都可能让一颗精心设计的芯片“报废”。
性能与可靠性: 杂质不仅会影响器件的导电能力,还会影响其在高低温、高电压等极端条件下的稳定性,甚至缩短器件的寿命。

所以,“纯净”是“普通”(经过掺杂和加工)的基础。没有极高的纯度作为起点,我们就无法精确地控制杂质的引入,也就无法制造出功能强大、性能可靠的半导体器件。这两者是一个从“纯粹”到“有序”再到“功能化”的完整过程。

网友意见

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还有文科生来问这类问题呀,是芯片行业真的这么火了吗,

先从严谨角度稍微说两句:

  1. 完全纯净的半导体不一定是单晶,理论上不掺杂的多晶也是;也不一定是单元素,化合物半导体也是;好几个回答里提到的本征半导体是纯净半导体的最准确定义。
  2. 没有普通半导体的说法,应该叫掺杂半导体,这是指使用扩散或者离子注入等手段,在纯净半导体中添加入其他元素,从而改变掺杂区域的导电性。

下面通俗的说说纯净半导体和掺杂半导体的主要区别,因为通俗,不完全严谨,但便于理解:

  1. 纯净半导体,室温情况下不导电,靠外加电压等手段,也不易导电
  2. 轻掺杂半导体,指掺入了不太多的杂质,一般情况下不导电或弱导电,靠外加电压,可以临时改造成导电,电压消失能改回来,也就是说,可以靠外加条件,随意改变这个部分的导电性,电阻率可以改变1万倍(4个数量级)以上
  3. 重掺杂半导体,指掺入很多杂质,可以基本认为是导体,且不受外加条件影响,始终是导体

可以说,半导体的核心能力就是这个“半”字,可以通过很多手段,比如掺杂,温度,外加电压,空间区域(依靠光刻的精确定位能力),临时或永久的改变其导电性,这使得我们能够在硅片上制造出数量庞大的各种导电性质不同的区域,并通过外加信号的变化,来实现复杂的电路功能。

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我知道题主是不理解掺杂是什么,以及为什么要掺杂。

首先,题主说的纯净半导体,或者说,通常见到的单晶硅,属于半导体,它导电性能弱于良导体几个数量级,但比通常的绝缘体好几个数量级。本质是因为这类材料能用来导电的自由电子太少了。

其次,什么是掺杂?

掺杂你可以理解为用非常小的颗粒射击上面的单晶硅,然后让这些颗粒嵌进去。这样原来的单晶硅就会呈现出来一点点不一样的特性,增加它们一点点的自由电子。

不多,但比原来高几个数量级。

有一点点类似不锈钢,不锈钢里头大部分成分还是铁,但通过添加铬、锰等其他元素,让原本会生锈的铁变得不生锈了。

掺杂以后依然是半导体,掺杂的比例大概是0.0001%,即百万分之一这个级别。

第三,掺杂的目的是什么?

掺杂会掺不一样的东西和不一样的浓度,通过这些不一样东西的不同特性排列组合,形成具有一定特性的电子器件。

比如,二极管左边和右边掺的就不一样,因此形成了二极管单向通电的特性。二极管就可以看作一个晶体管。

这个你可以理解为三原色,红绿蓝三种颜色不同亮度的配比,就可以形成无数种颜色,然后用几十万到几千万个像素点排列组合,形成你看到的画面。

芯片也是类似,通过不同浓度的掺杂,形成不同的晶体管,排列组合,形成逻辑电路,进而实现运算功能。


大致这个意思,不管是表达还是类比,其实都不严谨,目的是为了帮题主理解掺杂是什么,以及为什么要掺杂。

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