半导体的导电原理

本征半导体 本征半导体(intrinsic semiconductor)

没有掺杂且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。在绝对零度温度下，半导体的价带(valence band)是满带(见能带理论)，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带(forbidden band/band gap)进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带(conduction band)，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴(hole)，导带中的电子和价带中的空穴合称为电子 - 空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子(free carrier)，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，使电子-空穴对消失，称为复合(recombination)。复合时产生的能量以电磁辐射（发射光子photon）或晶格热振动（发射声子phonon）的形式释放。在一定温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时本征半导体具有一定的载流子浓度，从而具有一定的电导率。加热或光照会使半导体发生热激发或光激发，从而产生更多的电子 - 空穴对，这时载流子浓度增加，电导率增加。半导体热敏电阻和光敏电阻等半导体器件就是根据此原理制成的。常温下本征半导体的电导率较小，载流子浓度对温度变化敏感，所以很难对半导体特性进行控制，因此实际应用不多。

杂质半导体(extrinsic semiconductor)

半导体中的杂质对电导率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体，一般可分为n型半导体和p型半导体。半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生附加的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施主(donor)杂质，相应能级称为施主能级,位于禁带上方靠近导带底附近。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价键，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢浅能级-施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多，很易激发到导带成为电子载流子，因此对于掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是被激发到导带中的电子，属电子导电型，称为n型半导体。由于半导体中总是存在本征激发的电子空穴对，所以在n型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子。相应地，能提供空穴载流子的杂质称为受主(acceptor)杂质，相应能级称为受主能级，位于禁带下方靠近价带顶附近。例如在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是受主能级。由于受主能级靠近价带顶，价带中的电子很容易激发到受主能级上填补这个空位，使受主杂质原子成为负电中心。同时价带中由于电离出一个电子而留下一个空位，形成自由的空穴载流子，这一过程所需电离能比本征半导体情形下产生电子空穴对要小得多。因此这时空穴是多数载流子，杂质半导体主要靠空穴导电，即空穴导电型，称为p型半导体。在p型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。

（1）商场、宾馆的大门的自动控制装置可能应用了光敏半导体材料的做成的；

如果是声敏电阻，则当汽车等大噪声的物体经过时，它会自动开启，但实际上没有，而是只有当人挡住了其光线时才会发生变化；

（2）①由表格中的数据可知，本应用实例中，应用了半导体热敏性能；

②∵串联电路中总电阻等于各分电阻之和，

∴根据欧姆定律得：U=I（Rx+R0）

由表格信息可知，

当锅内温度为75℃时，I=0.24A，Rx=20Ω

则U=0.24A（ 20Ω+R0）

当锅内温度为112.5℃时，I=0.5A，Rx=7Ω

则U=0.5A（ 7Ω+R0）

∵电源的电压不变，

∴0.24A（ 20Ω+R0）=0.5A（ 7Ω+R0）

解得：U=6V R0=5Ω

③若锅内温度为125℃，I=0.6A，

根据欧姆定律可得，电路中的总电阻：

R总=

U

I

=

6V

0.6A

=10Ω，

Rx=R总+R0=10Ω-5Ω=5Ω．

答：（1）光敏；如果是声敏电阻，则当汽车等大噪声的物体经过时，它会自动开启，但实际上没有，而是只有当人挡住了其光线时才会发生变化；

（2）①热敏；

②电源电压为6V，定值电阻R0的值为5Ω；

③若锅内温度为125℃，此时Rx的值是5Ω．

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