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1、本征和杂质半导体本征和杂质半导体所谓半导体，顾名思义，就是它的导电能力介乎导体和绝缘体之 间。 用得最多的半导体是猪和硅，都是四价元素。将错或硅材料提纯 后形成 的完全纯洁、具有晶体结构的半导体就是本征半导体。半导体 的导电能 力在不同条件下有很大差异。一般来说，本征半导体相邻原子间存在稳固的共价键，导电能力 并 不强。但有些半导体在温度增高、受光照等条件下，导电能力会大 大增 强，利用这种特性可制造热敏电阻、光敏电阻等器件。更重要的 是，在本征半导体中掺入微量杂质后，其导电能力就可增加几十万乃 至几百万倍，利用这种特性就可制造二极管、三极管等半导体器件。半导体的这种与导体和绝缘体截然不同的导
2、电特性是由它的内部结 构和导电机理决定的。在半导体共价键结构中，价电子原子的最外 层 电子不像在绝缘体 8 价元素中那样被束缚得很紧，在获得一 定能 量温度增高、 受光照等后，即可摆脱原子核的束缚 电子受 到激发， 成为自由电子，同时共价键中留下的空位称为空穴。在外电场的作用下，半导体中将出现两局部电流：一是自由电子作定向运动形成的电子电流，一是仍被原子核束缚的价电子不是自由电子递补空穴形成的空穴电流。也就是说，在半导体中存在自由电子和空穴两种载流子，这是半导体和金属在导电机理上的本质区别。本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合，在一定温度下到达动态平衡，载流子便维持一定数目
3、。温度愈高，载流子 数目愈多，导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能的影 响很 大。本征半导体的导电特性常用的半导体材料是单晶硅Si和单晶错Ge。所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规那么整齐地排列着的晶体。非常纯洁的单晶半导体称为本征半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要到达99.9999999%, 常称为“九个9。它在物理结构上呈单晶体形态。1本征半导体的共价键结构硅和猪是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们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。通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为
4、惯性核。惯性核带 有4个单位正电荷，最外层有4个价电子带有4个单位负电荷，因此整个原子为电中性。这种结构的立体和平面示意图见图10G硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图图1硅原子空间排列及共价键结构平面示意图2电子空穴对一般来说,共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量如光照、升温、电磁场激发 等， 一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子。这一现象称为本征激发也称热激发。理论和实验说明：在常温T=300K下，硅共价键中的价电子只要获得大于电离能EG =l.leV的能量便可激发成为自由电子。本征错的电离能更小，只有0.72eVo同时,当共价键中的
5、一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的在共价键中便留下了一个空位子，称为空穴化当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动 ，且运动方向与价电子 运动方向相反。为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动， 并把空穴看成是一种带正点荷的载流子。当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键，与此同时消失一个电子一空穴对，这一相反过程称为“复 合，如图2所示。在一定
6、温度条件下，产生的电子一空穴对“和复 合的电子一空穴对数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属 于动态平衡，到达动态平衡时电子一空穴对"维持一定的数目o图2本征激发和复合的过程可见，在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而金属导体中只有自由电子一种载流子，这也是半导体与导体导电方式的不同之处。(3) 空穴的移动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，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电 子依次充填空穴来实现的。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
7、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。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；空穴是少数载流子，由热激发形成。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3 所示。共价犍O硅原子核匸子图3N型半导体的结构示意图(2) P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、稼、钢等形成了 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空穴。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。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图如图4所示。o硅原子孩O空穴图4 P型半导体的结构示意图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T=300K室温下，本征硅的电子和空穴浓度为:n = p 二 1.4X1%'本征硅的原子浓度：4. 96X 10 !7cm3