半导体导电原理和金属导体导电原理不同之处

半导体导电原理 半导体一般是由4 价的硅或锗为主体材料，它们的晶体结构也和金刚石一样，每个原子由4 个价和运转在空间等距、有序环绕，构成金刚石结构，很纯的单晶硅基本不导电。N型半导体  在纯硅晶体中加了少量的磷元素后，就形成了N型半导体。5价的磷原子镶嵌在硅晶体中，本来硅晶体的每个原子通过4个结构元相互联接，价和速率相同，而磷的5个价电子参入硅中价和运转，尚有一个电子无价和轨道，它杂混在其它价和轨道中，扰乱了原均匀的速率，使得整个晶体中的价和电子出现了拥挤和等待的紊乱现象，于是晶体中出现了临时性的电子空位(临时性空位在晶体中占有一定概率)，外来电子可乘虚而入，晶体的导电能力增加，形成的N型半导体。 P型半导体 在硅晶体中加入少量的硼元素后，硼在价和结构中顶替了一个硅原子，因硼外层只有3个价电子，使得与硼相连的4个结构元中有一个是单电子价和运转，于是就有了电子空位，与这个结构元相连的6个结构元外端又连着18个结构元，这样电子空位呈2×3 扩展，所以该晶体的导电能力也呈几何级数增加。电子空位扩展之后空位出现的时间越来越短，也就不成其为空位了。 以上论述说明，不管是N型还是P型半导体，其导电能力都是由电子空位提供的。电子空位则是由晶体中杂质分布引起价和电子紊乱运行所致，所出现的电子空位是瞬时的、随机的。这也导致了半导体的"测不准"及温升，热敏等诸多物理性质。 晶体管的PN结的实质是疏通或堵塞电子空位。 二极管 把N 型和P 型半导体材料紧密结合起来，两端连上导线，就形成了半导体二极管。二极管最关键的部位在两种材料的结合处，人们称之为P N 结。由于N 型半导体是5 价的磷镶嵌在以4 价为主体硅晶体中，有多出的电子。而在P 型半导体中是3 价的硼在以硅为主体的结构元连接中，顶替了一个硅原子的位置，在整体上有缺少电子的趋势。把这两种晶体紧密结合：N 型半导体中多出的电子向缺少电子的P 型半导体中扩散。这样，在结合部附近，各结构元的价和电子数正好达到平衡，（图9-1）每个原子周围的价和电子平稳运转，没有了电子的紊乱和等待，也就没有了电子空位。这就是在不导电时的P N 结。金属导电原理 电流是电子的定向流动，这就像水流是水的定向流动一样。这叫人联想到一个常用的中国词"流通"，通则流，不通则不流。水流不是因为该物体内有水(桶里的水，池塘里的水就不能形成水流)。除了压力差之外还必须得"通"——必须得有让水定向通过的空间(如渠道、管道等)；电流不是因为该物体内的电子有自由，除了电压差之外还必须得"通"——必须得有让电子定向通过的空间。 那么，是什么使得物体能够导电？——是该物体内原子间有电子的通路。前提条件是：该物体价和电子数量较少并且运转不够饱满（在平面运转，没能形成饱满的球状），在价和电子运转的同时，存在着能让外电子窜入的间隙和时机；存在着能让电子在其间穿越运动的空位，我们把原子外层所呈现的这种空位叫做电子空位。电子空位是电子流动的通路，有了这样的通路，外来的电子才能在其间运动，形成电子的流动——电流。导电原理是： 某物质的原子的价电子较少，外电子层不饱满，或速率很低，存在着电子空位，在电压的作用下外来的电子进入电子空位，电子在电子空位间换位移动，形成电流。 有了电子空位，外来电子才能进入，才能在物质内定向运动形成电流。导体、半导体、液体导电都是如此，超导原理也是如此。 电子空位是由价和电子的数量、速率及线路所决定。金属原子外层电子较少，组合成结构元之后，每个原子的外层仅有一、二个价和运转围绕，原子的外层仍存在较多的电子空位，能容外来电子进入、移动，因而易于导电。在绝缘体内，因原子的价电子多，多个价和运转包围着一个原子，使原子的外电子层趋近饱和，没有电子空位(或很少)，不能容外界电子进入，因而不能导电。

FinFET在发明之初就是为了解决平面晶体管的短沟道效应问题，其结构如图1所示。与平面晶体管不同之处在于FinFET的沟道平面垂直于衬底平面，并且沟道两侧以及顶部同时受到栅电极的电压控制，因此从静电势的分布来看，整个沟道厚度方向上存在着更为均匀的电场控制，使得沟道电荷更容易被栅电极的电压信号所调制，从而降低与源漏端的共享，即短沟道效应。

相比较32 nm平面晶体管，22 nm的FinFET器件亚阈值特性更加陡峭，从而能够在较低的阈值电压下工作而不破坏关态电流，从而获得更高的驱动电流。这使得FinFET可以在更低的工作电压下工作，获得超过37%的性能提升。

相比于FinFET器件，围栅纳米线器件可从各个方向控制沟道能电势，具有更强的短沟道效应控制能力，从而实现极小的泄漏电流。

1. 导体：容易导电的物体。如：铁、铜等

2. 绝缘体：几乎不导电的物体。如：橡胶等

3. 半导体：半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体。在一定条件下可导电。 半导体的电阻率为10-3～109 Ω·cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

半导体特点：

1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变化。光敏元件、热敏元件属于此类。

2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。二极管、三极管属于此类。

2.1.2 本征半导体

1.本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。电子技术中用的最多的是硅和锗。

硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。其简化原子结构模型如下图：

外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。物质的性质是由价电子决定的 。

外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。物质的性质是由价电子决定的 。

2.本征半导体的共价键结构

本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。如下图所示：

硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图

3.共价键

共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子组成的，这两个电子被成为束缚电子。束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量，不易脱离轨道。因此，在绝对温度T=0°K（-273°C）时，由于共价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电

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