1.半导体的特点

多数现代电子器件是由性能介于导体和绝缘体之间的半导体材料制造而成的。

半导体被用来制造电子元器件，主要因为它的导电能力在外界某种因素作用下可以发生显著的变化。这些变化主要表现如下：

（1）半导体的电导率可以因加入杂质而发生显著的变化。例如在纯硅中掺入百万分之一的硼（杂质，称掺杂）后，导电能力会增加数十万倍。各种半导体器件的制作，正是利用了掺杂来改变和控制半导体的电导率。

（2）温度的变化也会使半导体的导电能力发生显著的变化，如钴、锰、镍等的氧化物，在环境温度升高时，导电能力要增强很多，称为热敏效应。但热敏效应也会使半导体器件的热稳定性下降。

（3）光照不仅可以改变半导体的电导率，而且可以产生电动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可以制成光电晶体管、光电耦合器和光电池等。

2.本征半导体

没有杂质且晶体结构完整的半导体，称为本征半导体，即纯净半导体。

（1）硅和锗晶体的共价键结构

由原子理论得知，当原子的最外层有8个电子时才处于稳定状态。硅和锗都是四价元素，每个原子只有4个最外层电子，称为价电子，因此在组成单晶时，每个原子都要从四周相邻原子取得四个价电子，以组成稳定状态。这样，每两个原子共用一对价电子，形成共有电子对，这种结构称为共价键结构。图5-1为共价键结构示意图。

图5-1　单晶硅中的共价键结构

（2）半导体中的两种载流子——自由电子和空穴

共价键内的两个电子称为束缚电子。在温度为绝对零度和无外界其他因素激发时，价电子全部束缚在共价键内，原子处于稳定状态。但当有外部激发，如温度逐渐升高或在一定强度的光照下，价电子获得了足够的能量，挣脱共价键的束缚而成为自由电子。同时，在原来的共价键位置上留下相当于带有一个电子电量的正电荷的空位，称之为空穴。这种现象，叫作本征激发。在本征激发中，带负电的自由电子和带正电的空穴总是成对出现的，所以称之为自由电子—空穴对，如图5-2所示。空穴又很容易被附近从另一共价键挣脱出来的电子填充，于是电子与空穴又成对消失，叫作复合。本征激发和复合总是同时存在、同时进行的，在温度一定的情况下，本征激发和复合达到动态平衡，在整块半导体内，自由电子和空穴的数目保持一定。温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好。可见，温度对半导体器件性能的影响很大。

图5-2　半导体中的自由电子和空穴(www.daowen.com)

若为本征半导体加电场，则有空穴的原子会吸引相邻原子中的价电子，填补这个空穴。同时，在失去了一个价电子的相邻原子的共价键中又出现了一个新的空穴，它也可以由相邻原子中的价电子来递补，而在该原子中又会出现一个空穴，如图5-2所示。如此继续下去，就好像空穴在运动。而空穴运动的方向与价电子运动的方向相反，因此空穴运动相当于正电荷的运动。

自由电子和空穴都是载运电流的粒子，统称为载流子。因此，当半导体两端加上外电压时，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子做定向运动所形成的电子电流；二是仍被原子核束缚的价电子（注意，不是自由电子）递补空穴所形成的空穴电流。在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属导体在导电原理上的本质差别。以后将自由电子移动形成的导电现象简称电子导电，而将价电子填补空穴形成电流的导电现象称为空穴导电。

3.杂质半导体

掺入杂质的半导体称作杂质半导体。根据掺入杂质性质的不同，可分为电子型（N 型）半导体和空穴型（P型）半导体。

（1）N 型半导体

在本征半导体中掺入少量的五价元素，使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，可以形成N 型半导体。如在硅或锗的晶体中掺入磷（或其他五价元素）。磷原子的最外层有五个价电子。由于掺入硅晶体的磷原子数比硅原子数少得多，因此整个晶体结构基本上不变。磷原子参加共价键结构只需四个价电子，多余的第五个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子，如图5-3所示。于是半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，故称为电子型半导体或N 型半导体。在N 型半导体中，自由电子是多数载流子，简称多子；空穴是少数载流子，简称少子。

图5-3　N 型半导体结构示意图

（2）P型半导体

在本征半导体中掺入少量三价元素，可以形成P型半导体，常用于掺杂的三价元素有硼、铝和铟。如图5-4所示为在锗晶体中掺入硼元素的结构示意图。

每个硼原子只有三个价电子，故在构成共价键时，会因缺少一个电子而产生一个空位。邻近锗原子的价电子，在接受较小能量的条件下，就可以过来填补这个空位，而在该相邻原子中便出现一个空穴（见图5-4）。

图5-4　P型半导体结构示意图

每一个硼原子都能提供一个空穴，于是在这种杂质半导体中就形成了大量空穴。这种以空穴导电作为主要导电方式的半导体称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

应注意，不论是N 型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。