半导体的基础知识

1. 半导体

自然界的物质，按其导电能力可分为三种：导体、绝缘体和半导体。

导电能力介于导体与绝缘体之间的物质，称为半导体。常用来制造半导体器件的材料主要有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（Ga As）等。

半导体的导电能力是由它的原子结构决定的。硅和锗都是四价元素，它们的原子模型可以简化为带 4 个正电荷的惯性核和 4 个外层电子的形式，如图

2 − 1 − 1所示。

2. 本征半导体

图2 − 1 − 1 硅原子简化模型

当半导体呈晶体结构时，它们内部的原子都是有规则地排列着，并由价电子组成共价键结构把相邻原子牢固地联系在一起。这种纯净不含杂质，且原子呈规则晶体状排列的半导体称为本征半导体。本征半导体的结构如图2 − 1 − 2所示。

图2 − 1 − 2 本征半导体的结构示意图

3. 本征半导体的激发和复合

一块本征半导体，在绝对零度和没有外界影响的情况下，保持完整的共价键结构。但当温度升高或有光照时，某些共价键结构中的电子就会挣脱束缚，离开原来的原子而成为自由电子，而原来的共价键位置就会有一个空位，称为空穴，这就是本征半导体的激发。失去电子的原子就显示正电特性，看上去就像空穴带正电荷。本征半导体中的自由电子和空穴是成对出现的，我们称之为电子−空穴对。

当共价键中留下空穴时，相邻的共价键中的价电子就很容易过来补这个空位，这个过程就是复合。电子与空穴复合的过程，相当于一个原子的空穴复合后，其相邻原子的共价键中出现了另一个空穴，它也可以由其他相邻原子的电子来填补，这样下去，就好像空穴在运动。空穴运动的方向与自由电子运动的方向相反，相当于正电荷在运动。在半导体的导电中，除自由电子外，还有空穴参与导电，所以在半导体中存在两种载流子——自由电子和空穴。这也是半导体导电和一般导体导电的本质区别。

在一定温度或光照下，半导体的激发运动和复合运动都在不停地进行，最终处于一种动态平衡状态，使半导体中载流子的浓度一定。当温度升高时，本征半导体中载流子浓度增大。由于导电能力决定于载流子的数目，因此温度是影响半导体导电性能的重要因素。

4. 杂质半导体

在常温下，本征半导体中载流子浓度很低，因而导电能力很弱。为了改善导电性能并使其具有可控性，需在本征半导体中掺入微量的其他元素（称为杂质）。这种掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的性质不同，可分为N型半导体和P型半导体。

在本征半导体中掺入微量的三价元素，如硼，就形成了P型半导体。在P型半导体中，由于三价元素有三个价电子，当它顶替原晶体中的四价原子的位置时，三价元素的三个价电子与相邻的原子的价电子形成共价键结构，由于缺少一个价电子，就形成了一个空穴，如图2 − 1 − 3（a）所示。显然这个空穴不是激发产生的，不会同时产生自由电子，所以，在P型半导体中，空穴数目远多于自由电子数目，是多数载流子（简称多子），自由电子是少数载流子（简称少子）。

在本征半导体中掺入微量五价元素，如磷、锑、砷等，可使本征半导体中的自由电子浓度大大增加，形成N型半导体。所以N型半导体的多数载流子是自由电子，少数载流子是空穴，如图2 − 1 − 3（b）所示。

图2 − 1 − 3 P型与N型半导体的结构示意图

（a）P型半导体；（b）N型半导体