半导体基础知识
什么是半导体AD534JD
物质按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三大类。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。硅(Si)和锗(Ge)是最常用的半导体材料。
半导体之所以得到广泛的应用，是因为它具有掺杂性、热敏性和光敏性。人们正是利用它的这些特点制成了多种性能的电子元器件，如半导体二极管、半导体三极管、场效应管、集成电路、热敏元件、光敏元件等。由于用作半导体材料的硅和锗必须是原子排列完全一致的单晶体，所以半导体管通常也称为晶体管。
2．本征半导体
不含杂质，完全纯净的半导体称为本征半导体。最常见的本征半导体是锗和硅晶体，它们都是四价原子，其结构图如图1-1所示：
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
4.电子与空穴
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。
自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。
电子与空穴的复合
可见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，如图所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。
空穴的移动
由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出现了电荷迁移—电流。
电流的方向与电子移动的方向相反，与空穴移动的方向相同。本征半导体中，产生电流的根本原因是由于共价键中出现了空穴。由于空穴数量有限，所以其电阻率很大
空穴在晶体中的移动（动画）
2.1.3 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
1. N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。k在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；另外，硅晶体由于热激发会产生少量的电子空穴对，所以空穴是少数载流子。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；另外，硅晶体由于热激发会产生少量的电子空穴对，所以空穴是少数载流子。
N型半导体结构
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导体的结构示意图如图所示。
所以，N型导体中的导电离子有两种：自由电子——多数载流子（由两部分组成）；
空穴——少数载流子
2. P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。
因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。当相邻共价键上的电子因受激发获得能量时，就可能填补这个空穴，而产生新的空穴。空穴是其主要载流子。
P型半导体结构
在P型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电子而成为一个带单位负电荷的负离子，三价杂质 因而也称为受主杂质。 而硅原子的共价键由于失去一个电子而形成空穴。所以P型半导体的结构示意图如图所示。
P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。
3. 杂质对半导体导电性的影响
掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:
1.T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cmз
2.本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cmз
3.掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cmз
以上三个浓度基本上依次相差1000000/cmз 。
