为什么温度对半导体器件影响很大？
为什么温度对半导体器件影响很大？
在电子设备中，半导体器件是不可或缺的核心组件。然而，这些看似普通的芯片为何对温度如此敏感？为什么在选择芯片时，温度参数会成为关键考量因素？本文将从半导体的基础知识出发，深入探讨温度对半导体器件性能的影响。
温度等级与应用场景
在选型芯片的时候，温度参数是一个非常重要的参数，会根据芯片的应用场景、工作环境选择不同温度等级的芯片。常见的温度等级可分为以下几类：
- 商业级芯片：工作温度范围为0°C至+70°C
- 工业级芯片：工作温度范围为-40°C至+85°C
- 汽车级芯片：工作温度范围为-40°C至+125°C
- 军用级芯片：工作温度范围为-55°C至+125°C
那么为什么温度对半导体的影响这么大呢？接下来，让我们一探究竟。
本征半导体的结构与特性
本征半导体是指完全纯净的、具有晶体结构的半导体。以硅为例，每个硅原子最外层具有4个电子，这种结构不够稳定，稳定的结构是最外层有8个电子，所以每个硅原子4个电子和周围的4个硅原子的各自最外层4个电子组成4个共价键，这样每个硅原子都是最外层8个电子的稳定结构，每个共价键同时受到两个原子的束缚，共价键中的两个电子称为价电子。结构如下图所示。
本征半导体在获得能量后，如受到光照、加热、电场力而获得能量，发生本征激发，共价键可能断裂，共价键中的价电子会挣脱原子核的束缚，成为自由电子，同时共价键中留下一个空位，称为空穴。结构如下图所示。
形成空穴后，在外电场力的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，这种现象为复合，此时又产生一个新的空穴，周而复始，这个过程相当于空穴的运动。最终，在一定温度下，本征激发和复合会达到一种动态平衡。这种动态平衡就保证了本征半导体内部具有一定浓度的空穴和自由电子，就构成了本征半导体导电的物理基础。
自由电子做定向运动形成电子电流，价电子复合空穴形成空穴电流。自由电子和空穴都称为载流子。
温度对半导体性能的影响
本征半导体中存在大量的共价键，载流子的数量极少，导电性能很差。温度升高，自由电子能量增加，共价键发生断裂的几率提升，导致自由电子和空穴增多，再加上外界电场的作用，导电性能就会提升，所以温度对半导体器件性能的影响很大。