1.4.1.1　半导体的定义及特性

1.导体、绝缘体和半导体

物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。 物质的导电特性取决于原子结构。

1） 导体

导体一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属，其最外层电子受原子核的束缚力很小，因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。 因此，在外电场作用下，这些电子产生定向运动（称为漂移运动） 形成电流，呈现出较好的导电特性。 自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。

2） 绝缘体

高价元素（如惰性气体） 和高分子物质（如橡胶、塑料） 的最外层电子受原子核的束缚力很强，极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子，所以其导电性极差，可作为绝缘材料。

3） 半导体

半导体的最外层电子数一般为4 个，既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚，成为自由电子，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧。 因此，半导体的导电特性介于二者之间。常用的半导体材料有硅、锗、硒等。

2.半导体的独特性能

金属导体的电导率一般在105 S／cm 量级； 塑料、云母等绝缘体的电导率通常在10 －22 ～10 －14 S／cm 量级； 半导体的电导率则在10 －9 ～102 S／cm 量级。

半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的。

（1） 光敏性。 半导体受光照后，其导电能力大大增强。

（2） 热敏性。 受温度的影响，半导体导电能力变化很大。

（3） 掺杂性。 在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强。

半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。 这3 个性质是半导体的三大特性。

1.4.1.2　本征半导体

本征半导体是纯净的、具有晶体结构的半导体。 常用的半导体材料是硅和锗，它们都是4 价元素，在原子结构中最外层轨道上有4 个价电子。

1.本征半导体的结构特点

现代电子学中，用得最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子） 都是4 个，如图1.28 所示。

图1.28　硅和锗的原子结构示意图

通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 把硅或锗材料制成单晶体时，相邻两个原子的一对最外层电子（价电子） 成为共有电子，它们一方面围绕自身的原子核运动，另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。

在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，如图1.29 所示。 每个原子都处在正四面体的中心，而其他4 个原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。 价电子不仅受到自身原子核的作用，同时还受到相邻原子核的吸引。 于是，两个相邻的原子共用一对价电子，组成共价键结构。 因此，在晶体中，每个原子都和周围的4 个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来，如图1.30 所示。

图1.29　硅和锗的晶体结构

图1.30　硅和锗的共价键结构

形成共价键后，每个原子的最外层电子是8 个，形成稳定结构。 共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子。 在常温下，束缚电子很难脱离共价键成为自由电子。 因此，本征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱。

2.本征半导体的导电机理

1） 载流子、自由电子和空穴(www.daowen.com)

在绝对零度（ －273 ℃） 和没有外界激发时，价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），不能导电，相当于绝缘体。

在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴，如图1.31 所示。

2） 导电机理

本征半导体中两种载流子的数量相等，称为自由电子空穴对。 在外界因素的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，结果相当于空穴的迁移，效果相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子，能定向移动而形成电流，如图1.32 所示。

图1.31　硅和锗的价电子热激发示意图

本征半导体中电流由两部分组成： ①自由电子移动产生的电流； ②空穴移动产生的电流。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点——半导体的热敏性。

在本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，同时又不断地复合。

1.4.1.3　杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量的杂质原子，形成杂质半导体。 杂质半导体的导电性能将发生显著变化，其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。

N 型半导体： 自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为电子型半导体。P 型半导体： 空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为空穴型半导体。

1.N 型半导体

在本征半导体中，掺入微量5 价元素，如磷、锑、砷等，则原来晶格中的某些硅（锗）原子被杂质原子代替。 由于杂质原子的最外层有5 个价电子，因此它与周围4 个硅（锗）原子组成共价键时，还多余一个价电子。 它不受共价键的束缚，而只受自身原子核的束缚，因此，它只要得到较少的能量就能成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子，本征半导体电子和空穴成对出现的现象也被打破，如图1.33 所示。 显然，这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度，主要靠电子导电，所以称为N 型半导体。

N 型半导体中的载流子有两种： ①由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同； ②本征半导体中成对产生的电子和空穴。

图1.32　硅和锗的导电机理示意图

图1.33　N 型半导体的结构示意图

一般情况下，掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。 在N 型半导体中，自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。

2.P 型半导体

在本征半导体中，掺入少量的3 价元素，如硼、铝、铟等，就得到P 型半导体。 这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的3 个价电子和相邻的4 个硅原子组成共价键时，只有3 个共价键是完整的，第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位，这个空位可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子，如图1.34 所示。 显然，这种杂质半导体中空穴浓度远远大于电子的浓度，主要靠空穴导电，所以称为P 型半导体。

图1.34　P 型半导体的结构示意图

在P 型半导体中，空穴是多子，电子是少子。

3.P 型、N 型半导体的简化示意图

P 型半导体： 空穴称为多数载流子； 自由电子称为少数载流子，载流子数≈空穴数，如图1.35 （a） 所示。

N 型半导体： 自由电子称为多数载流子； 空穴称为少数载流子，载流子数≈电子数，如图1.35 （b） 所示。

图1.35　P 型、N 型半导体的简化示意图

（a） P 型； （b） N 型