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半导体的基础知识

半导体器件是现代电子技术的重要组成部分，是由半导体材料制造而成的。为了能够更好的了解半导体器件的性能，有必要先了解一些半导体材料的基本性质。

1.物质的分类

自然界有很多不同种类的物质。这些物质按照导电性强弱来分类，大致可以分为三类：导体、半导体和绝缘体。导体是很容易导电的物质，例如铜和铝等等；绝缘体是几乎不能导电的物质，比如塑料、橡胶、玻璃等；而半导体的导电能力是介于导体和绝缘体之间的这样一类物质。常用的半导体材料有硅、锗等。其中，硅是目前最常用的一种半导体材料。

2.半导体导电的特性

半导体除了在导电能力方面与导体和绝缘体不同以外，它还具有不同于其他物质的特点。例如：当半导体受到外界光和热的刺激时，其导电能力将发生显著的变化；在纯净的半导体中加入某种特定的微量杂质，其导电能力也会有显著的增加。

这些特点说明，半导体导电的机制一定和导体、绝缘体不同。为了更好的理解这些特点，就必须了解半导体的结构。

3.半导体的内部结构

在电子器件中，用得最多的半导体材料就是硅和锗，它们都是四价元素；半导体内部的原子具有严格的晶体结构，原子之间形成有序的排列，每个硅原子周围和四个相邻的硅原子以共价键相连接，形成共价键的这一对电子就称为“价电子”。通常情况下，共价键对价电子的束缚能力很强，绝大多数价电子被束缚在共价键中而不能自由移动，所以半导体的导电性能较差。在绝对零度下，纯净的半导体内部所有的价电子都被共价键所束缚，在半导体内部没有可以自由导电的带电粒子，所以此时半导体是没有导电能力的；在本征激发时，半导体才会具有导电能力。

下面，我们来学习什么是本征激发。

4.本征激发

首先来学习几个概念。

（1）本征半导体：我们把结构完整、完全纯净的半导体晶体称为本征半导体。

（2）激发：半导体晶体内部共价键中的价电子由于获得足够的能量而挣脱掉共价键的束缚成为自由电子的过程称为“激发”。

（3）载流子：可以自由移动的带电粒子称为“载流子”。

本征激发的物理过程：

在绝对零度和没有外界激发的条件下，由于每个原子的外围电子都被共价键所束缚，所以对电流的形成没有作用。但是，半导体内共价键的价电子绝缘体中束缚的那么紧，在室温下，一些价电子就会获得足够的热振动能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子。这种现象就称为“本征激发”。

当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子以后，共价键中就留下一个空位，这个空位叫做“空穴”。空穴的出现时半导体区别于导体的一个重要特点。由于共价键中出现了空穴，在外电场或其他能量作用下，临近的价电子就可以填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，其他电子又可以转移到这个空位上，这样就相当于出现的电荷的迁移。因此在分析半导体导电过程的时候，用空穴的运动来代替共价键中电子的运动更为方便，在这里可以把空穴看成是一个带正电的粒子，可以和自由电子一样参与导电。因此空穴也是半导体中的一种载流子。

总结一下本征激发的过程：T↑→价电子获得足够能量→挣脱共价键束缚→自由电子↑→空穴↑

结论：在本征半导体内，本征激发产生的自由电子和空穴总是成对出现的，是电子-空穴对，且载流子的数量与温度等外界条件有关。

5.杂质半导体

在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的变化。根据掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为两种：N型杂质半导体和P型杂质半导体。

N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。

P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。

（1）P型杂质半导体---教材

（2）N型杂质半导体---教材

本次课小结

典型例题讲解

1．N型半导体中的多数载流子是（）。

A．空穴 B．自由电子 C．施主离子 D．受主离子

【答案】B

【解析】N型半导体是在纯净半导体材料中掺入五价杂质元素得到的，由于半导体材料原子是四价的，每掺入一个杂质原子，就会带来一个不受共价键束缚的自由电子，导致半导体中自由电子数量远远多于空穴数量，所以自由电子是N型半导体中的多数载流子。施主离子和受主离子是由杂质原子失去或得到一个电子而形成的不可移动的空间电荷，不是载流子。

2．在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于（）。p5

A．温度 B．光照 C．掺入杂质的数量 D．本征激发的程度

【答案】C

【解析】杂质半导体中多数载流子主要是由于掺入三价元素或五价元素而产生的，虽然本征激发也会产生一些载流子，但数量远远小于掺杂所产生的载流子的数量。

3．杂质半导体中的少数载流子的浓度取决于（）。p5

A．掺杂浓度 B．制造工艺 C．晶体结构 D．温度

【答案】D

【解析】在杂质半导体中，少数载流子完全由本征激发产生，其浓度取决于半导体中本征激发