半导体导电特性

导体、绝缘体和半导体
自然界的各种物质就其导电性能来说、可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。
导体具有良好的导电特性，常温下，其内部存在着大量的自由电子，它们在外电场的作用下做定向运动形成较大的电流。因而导体的电阻率很小，只有 金属一般为导体，如铜、铝、银等。
绝缘体几乎不导电，如橡胶、陶瓷、塑料等。在这类材料中，几乎没有自由电子，即使受外电场作用也不会形成电流，所以，绝缘体的电阻率很大，在 以上。
半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、硒等，它们的电阻率通常在 之间。半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。如纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为 ，若按百万分之一的比例掺入少量杂质(如磷)后，其电阻率急剧下降为 ，几乎降低了一百万倍。半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。
本征半导体的导电特性
常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。非常纯净的单晶半导体称为本征半导体。



一、本征半导体的原子结构
半导体锗和硅都是四价元素，其原子结构示意图如图Z0102所示。它们的最外层都有4个电子，带4个单位负电荷。通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核，如图Z0101所示。
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。
二、本征激发
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。
理论和实验表明：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（= 1.1eV）的能量便可激发成为自由电子。本征锗的电离能更小，只有0.72 eV。
当共价键中的一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称为空穴。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。
电子一空穴对
本征激发
复合：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。
动态平衡：在一定温度条件下，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，达到动态平衡时电子一空穴对维持一定的数目。
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。
杂质半导体的导电特性
本征半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，因此，不宜直接用它制造半导体器件。半导体器件多数是用含有一定数量的某种杂质的半导体制成。根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体两种。


一、N型半导体
在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的5价元素，例如磷，则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子，占据晶格上的某些位置。如图Z0103所示。
由图可见，磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构，多余的1个价电子在共价键之外，只受到磷原子对它微弱的束缚，因此在室温下，即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子，游离于晶格之间。失去电子的磷原子则成为不能移动的正离子。磷原子由于可以释放1个电子而被称为施主原子，又称施主杂质。
在本征半导体中每掺入1个磷原子就可产生1个自由电子，而本征激发产生的空穴的数目不变。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子（简称多子），空穴则为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是电子，故这种半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。
二、P型半导体
在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的3价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子，占据晶格上的某些位置，如图Z0104所示。由图可知，硼原子的3个价电子分别与其邻近的3个硅原子中的3个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另1个硅原子的共价键中则缺少1个电子，出现了1个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使3价的硼原子获得了1个电子而变成负离子。同时，邻近共价键上出现1个空穴。由于硼原子起着接受电子的作用，故称为受主原子，又称受主杂质。
在本征半导体中每掺入1个硼原子就可以提供1个空穴，当掺入一定数量的硼原子时，就可以使半导体中空穴的数目远大于本征激发电子的数目，成为多数载流于，而电子则成为少数载流子。显然，参与导电的主要是空穴，故这种半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。