说一说有关半导体的知识

一、半导体基本概念

1、半导体及其导电性能

根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体。

半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料，半导体的电阻率为10-3～10-9 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化；往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时，会使它的导电能力具有可控性，这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。 2、本征半导体的结构及其导电性能

本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。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”，它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。在热力学温度零度和没有外界激发时，本征半导体不导电。 3、半导体的本征激发与复合现象

当导体处于热力学温度0 K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。

游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。 在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且自由电子数和空穴数相等。 4、半导体的导电机理

自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，因此，在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子（即载流子），这是半导体的特殊性质。空穴导电的实质是:相邻原子中的价电子（共价键中的束缚电子）依次填补空穴而形成电流。由于电子带负电，而电子的运动与空穴的运动方向相反，因此认为空穴带正电。

5、杂质半导体

掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。杂质半导体是半导体器件的基本材料。在本征半导体中掺入五价元素（如磷），就形成N型（电子型）半导体；掺入三价元素（如硼、镓、铟等）就形成P型（空穴型）半导体。杂质半导体的导电性能与其掺杂浓度和温度有关，掺杂浓度越大、温度越高，其导电能力越强。

在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

多子（自由电子）的数量＝正离子数＋少子（空穴）的

数量

在P型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。

多子（空穴）的数量＝负离子数＋少子（自由电子）的

数量

当半导体受到外界光和热的激励时，其导电能力将发生显著变化！

在纯净的半导体中加入微量杂质时，其导电能力也将发生显著变化！

硅：四价元素，最外层轨道上有4个电子（价电子），由于原子呈电中性，所以硅原子简化模型：+4加圆圈表示，周围围绕着4个价电子。半导体的导电性与价电子有关。

在室温（300K）条件下，被共价键束缚的价电子就会获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，形成电子-空穴对。

在外电场E的作用下，会发生电子和空穴的迁移，但自由电子在迁移的过程中，仍然处于束缚状态，因而可用空穴移动产生的电流来代表束缚电子移动产生的电流。运动的空穴是虚拟出来的，可以将空穴看成是一种带正电荷的粒子。

P型半导体（Positive）：参杂少量三价元素（如：硼，铟，铝），受主杂质（P型杂质），产生空穴，以空穴导电为主（多载子）。

          总空穴浓度 = 离子化的受主原子浓度 + 少子电子浓度           （剩余电荷浓度必为零）

N型半导体（Negative）：参杂少量五价元素（如：磷，砷，锑），施主杂质（N型杂质），产生电子，以自由电子为主（多载子）。

                          总自由电子浓度 = 离子化的施主原子浓度 + 少子空穴浓度              （保持材料的电中性）

一定温度条件下，N型半导体中，空穴浓度与电子浓度的乘积为一常数（本征材料中空穴浓度和电子浓度的乘积）。

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

---