所谓的本征半导体，是指没有杂质、纯净的、没有晶体缺陷的半导体。更严格地说是，半导体中杂质的浓度远小于半导体价带空穴的浓度或者导带电子的浓度。在这一假设下，从前面半导体电子-空穴对的产生机制来看，本征半导体中电子浓度等于空穴的浓度，即不产生多余的电子和空穴。在此使用n_i和p_i来表示本征半导体中电子与空穴的浓度，其中i代表了本征（intrinsic），由于两个参数相等，仅使用n_i来表示本征半导体中电子或空穴的浓度。也就是说，对于本征半导体存在

n=p=n_i （2-19）

式中 n_i——被定义为本征载流子浓度或本征载流子密度。

同时，本征半导体的费米能级E_F也被定义为本征费米能级，使用E_i符号来表示，本征载流子浓度和本征费米能级在后面的半导体导电行为分析以及后面章节的电力半导体器件的分析中都是非常重要的。

利用电子和空穴的浓度公式，以及本征半导体中两者相等的特性，有

由此可以得到

对这两个重要参数有如下说明：

1）对于N_C和N_V的值比较接近的半导体材料，其中硅就是一个比较典型的代表，本征费米能级E_i的位置在禁带的中间位置，即E_C和E_V的中点位置，实际在应用中称E_i为禁带中心。

2）在本征载流子的公式中，n_i是独立于费米能级位置的量，式（2-22）的成立仅跟上一小节给出的电子和空穴浓度的公式有关，这些公式无论对本征半导体还是杂质半导体（后面有详细分析）都是成立的。作为结论，只要在热平衡的状态下，下式对于本征半导体或者杂质半导体都是成立的，该公式被称为质量作用公式。

np=n²_i （2-24）

也就是说，对于一个给定的半导体，在固定的温度下，半导体内的电子与空穴的乘积是一个固定的常数。公式虽然简单，却是半导体在热平衡状态下的基本原理。

在室温状态下，硅的本征载流子浓度n_i=1.5×10¹⁶/m³=1.5×10¹⁰/cm³，随着温度的升高，其值也跟着增加。而对于其他一些半导体材料来说，禁带宽度的增加，本征载流子的浓度会下降。做一些公式推导和整理，还能得到如下的公式。

在常温下，本征半导体中只有为数极少的电子-空穴对参与导电，部分自由电子遇到空穴又迅速恢复合成为共价键电子结构，所以从外特性来看它们是不导电的。为增加半导体的导电能力，一般都在Ⅳ价本征半导体材料中掺入一定浓度的硼、铝、镓等Ⅲ价元素或磷、砷、锑等Ⅴ价元素，这些杂质元素与周围的Ⅳ价元素组成共价键后，即会出现多余的电子或空穴。这些被掺入了其他元素杂质的半导体被称为杂质半导体。

杂质半导体的导电行为有了明显不同，真正电力半导体器件的导电行为主要取决于杂质半导体，而不是本征半导体。从某种意义上将，本征半导体只是体现了半导体的提纯技术，而杂质半导体才是体现电力半导体器件制作的主要工艺之一。在本征半导体中掺入微量杂质的方法有很多，比如合金法、扩散法、外延生长法和离子注入法等，在此不赘述。

一般来说，杂质半导体有两种，即N型半导体和P型半导体。在本征半导体中，电子的浓度等于空穴的浓度。通过掺入杂质原子，可以让电子和空穴的数目不等，在这种情况下，材料就是非本征的，即n≠p。掺杂原子可以是施主，也可以是受主。如果n>p，那么就是N型半导体，意味着带负电的电子对导体中电流贡献大。如果n<p，那么就是P型半导体，带正电的空穴对导体中电流贡献大。仍以硅为例，采用共价键和能带的方式来分析N型和P型半导体如下。

N型半导体。在硅的本征半导体中，掺入Ⅴ价元素的杂质（比如磷、砷、锑），就可以使晶体中的电子的浓度大大增加。假设一个外层有5个电子的磷原子，替代了纯硅晶体中的一个硅原子，如图2-26的共价键示意图所示。硅是4价，磷原子多余的一个电子不需要参与构成共价键，因为已经有足够的电子构成共价键了。该多余电子虽然不受共价键的束缚，但仍受Ⅴ价原子核的正电荷所吸引而在Ⅴ价原子的周围活动，不过所受力要比共价键的束缚作用小得多，这个电子很容易“贡献”给导带，因此杂质磷原子称为施主原子（Do-nor）。(www.daowen.com)

图2-26 N型半导体的共价键示意图

图2-27 N型半导体的能带图

而N型半导体的能带图如图2-27所示。施主原子的能级和周围硅原子的能级有轻微的差别，其中一些能级位于硅的禁带中。而且，施主能级接近导带底，这意味着只需要极少的能量就可以将施主原子的第5个电子激发到导带。对于磷来说，只需要0.045eV的能量就能做到，即施主能级E_D与导带边界E_C中间的距离只有0.045eV。需要注意的是，施主原子在产生电子的同时并不产生新的空穴。磷原子变成带正电的离子，但是由于受到晶体的约束，磷离子不能移动。只有电子对导电有贡献，离子不参与导电。

P型半导体。在硅的本征半导体中，掺入Ⅲ价元素的杂质（比如镓、铝、硼），就可以使晶体中的空穴浓度大大增加。假设一个外层有3个电子的硼原子，替代了纯硅晶体中的一个硅原子，如图2-28的共价键示意图所示。硅是4价，硼原子只有三个电子参与构成共价键，如果临近的硅原子提供一个电子就能使其形成填满的共价键，该吸收电子是附近硅原子的价电子，会形成一个空穴，该过程所需要能量非常小。此时，杂质硼原子称为受主原子（Acceptor）。

而P型半导体的能带图如图2-29所示。受主能级接近价带顶部，这意味着只需要极少的能量就可以在价带中产生一个空穴。对于硼来说，也只需要0.045eV的能量就能做到，受主能级E_A与导带边界E_V中间的距离只有0.045eV。需要注意的是，受主原子在产生空穴的同时并不产生新的电子。硼原子变成带负电的离子，但是由于受到晶体的约束，硼离子不能移动，不参与导电。

部分施主原子和受主原子在硅材料中的电离能如图2-30所示。对于不同应用背景，会使用不同的杂质元素。在微电子领域磷、砷、锑和硼被使用的较多，而铝和镓会被用作电力半导体器件的受主元素。

图2-28 P型半导体的共价键示意图

图2-29 P型半导体的能带图

图2-30 不同施主原子和受主原子在硅材料中的电离能

为了工业和制作的需要，有时候会在硅材料中先后加入不同的杂质，而使材料在N型和P型半导体之间转变。比如，先在硅材料中加入一定浓度的硼杂质，变成P型半导体，如果再加入浓度更大的磷杂质，磷的多余电子在补偿硼原子周围的共价键空穴仍有剩余，此时半导体则由P型转变成N型。此时的共价键示意图如图2-31所示。而既有受主又有施主的半导体能带图如图2-32所示。

图2-31 同时具有两种杂质的 半导体共价键示意图

图2-32 同时具有两种杂 质的半导体能带图