本征半导体与杂质半导体

实际使用的半导体都掺有某种少量杂质，而这里所指的“杂质”是有选择的。如果在纯净的硅中掺入少量的五价元素磷，这些磷原子在晶格中取代硅原子，并用它的4个价电子与相邻的硅原子进行共价结合。磷有5个价电子，用去4个还剩1个，这个多余的价电子虽然没有被束缚在价键里面，但仍受到磷原子核的正电荷的吸引。不过，这种吸引力很弱，只要很少的能量就可以使它脱离磷原子到晶体内成为自由电子，从而产生电子导电运动。同时，磷原子缺少1个电子而变成带正电的磷离子。由于磷原子在晶体中起着施放电子的作用，所以把磷等五价元素称为施主型杂质（或称为N型杂质）。在掺有五价元素（即施主型杂质）的半导体中，电子的数目远远大于空穴的数目，半导体的导电主要是由电子决定的，导电方向与电场方向相反，这样的半导体称为电子型半导体或N型半导体。如果在纯净的硅中掺入少量的三价元素硼，它的原子只有3个价电子，当硼和相邻的4个硅原子作共价结合时，还缺少1个电子，要从其中1个硅原子的价键中获取1个电子填补，这样就在硅中产生了一个空穴，硼原子接受了一个电子而成为带负电的硼离子。硼原子在晶体中起着接受电子而产生空穴的作用，所以称为受主型杂质（或称为P型杂质）。在含有三价元素（即受主型杂质）的半导体中，空穴的数目远远超过电子的数目，半导体的导电主要是空穴决定的，导电方向与电场方向相同，这样的半导体称为空穴型半导体或P型半导体。如图2－10所示是N型和P型硅晶体结构示意图。

图2－10　N型和P型硅晶体结构

由此可见，半导体材料在外加电压作用下出现的电流和其半导体导电的机理是由于自由电子和空穴两种载流子的运动形成的。并且半导体材料的导电能力在不同的条件下具有很大的差异，体现在：①热敏性：温度越高，产生的自由电子和空穴对就越多，导电能力就越强。半导体的这种特性可作为热敏电阻。②光敏性：一些半导体材料受到光照时，载流子数量会剧增，导电能力随之增强。可作为光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管、光电池等。③掺入微量杂质对半导体导电性能的影响。在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强。

没有掺杂的半导体称为本征半导体，其中电子和空穴的浓度是相等的。一定温度下的本征半导体，共价键上的电子可以获得能量挣脱共价键的束缚从而脱离共价键，成为参与共有化运动的“自由”电子。共价键上的电子脱离共价键的束缚所需要的最低能量就是禁带宽度。将共价键上的电子激发成为准自由电子，也就是价带电子激发成为导带电子的过程，称为本征激发。本征激发的一个重要特征是成对地产生导带电子和价带空穴。本征半导体的导带电子参与导电，同时价带空穴也参与导电，存在着两种荷载电流的粒子，统称为载流子。在单位体积（1cm3）中，电子或空穴的数目称为“载流子浓度”，它决定着半导体电导率的大小。一定温度下，价带顶附近的电子受激跃迁到导带底附近，此时导带底电子和价带中剩余的大量电子都处于半满带当中，在外电场的作用下，它们都要参与导电。对于价带中电子跃迁出现空态后所剩余的大量电子的导电作用，可以等效为少量空穴的导电作用。

而为了控制半导体的性质需要人为地在半导体中或多或少地掺入某些特定杂质的半导体，称为杂质半导体。在杂质半导体中，电子和空穴的浓度不相等。把数目较多的载流子称为“多数载流子”，简称“多子”；把数目较少的载流子称为“少数载流子”，简称“少子”。例如，N型半导体中，电子是“多子”，空穴是“少子”；P型半导体中则相反。