半導體(ti) 基礎知識（詳細篇）

2.1.1 概念

根據物體(ti) 導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體(ti) 、絕緣體(ti) 和半導體(ti) 。

1. 導體(ti) ：容易導電的物體(ti) 。如：鐵、銅等

2. 絕緣體(ti) ：幾乎不導電的物體(ti) 。如：橡膠等

3. 半導體(ti) ：半導體(ti) 是導電性能介於(yu) 導體(ti) 和半導體(ti) 之間的物體(ti) 。在一定條件下可導電。 半導體(ti) 的電阻率為(wei) 10-3～109 Ω·cm。典型的半導體(ti) 有矽Si和鍺Ge以及砷化镓GaAs等。

半導體(ti) 特點：

1) 在外界能源的作用下，導電性能顯著變化。光敏元件、熱敏元件屬於(yu) 此類。

2) 在純淨半導體(ti) 內(nei) 摻入雜質，導電性能顯著增加。二極管、三極管屬於(yu) 此類。

2.1.2 本征半導體(ti)

1.本征半導體(ti) ——化學成分純淨的半導體(ti) 。製造半導體(ti) 器件的半導體(ti) 材料的純度要達到99.9999999%，常稱為(wei) “九個(ge) 9”。它在物理結構上呈單晶體(ti) 形態。電子技術中用的最多的是矽和鍺。

矽和鍺都是4價(jia) 元素，它們(men) 的外層電子都是4個(ge) 。其簡化原子結構模型如下圖：

外層電子受原子核的束縛力最小，成為(wei) 價(jia) 電子。物質的性質是由價(jia) 電子決(jue) 定的 。

外層電子受原子核的束縛力最小，成為(wei) 價(jia) 電子。物質的性質是由價(jia) 電子決(jue) 定的 。

2.本征半導體(ti) 的共價(jia) 鍵結構

本征晶體(ti) 中各原子之間靠得很近，使原分屬於(yu) 各原子的四個(ge) 價(jia) 電子同時受到相鄰原子的吸引，分別與(yu) 周圍的四個(ge) 原子的價(jia) 電子形成共價(jia) 鍵。共價(jia) 鍵中的價(jia) 電子為(wei) 這些原子所共有，並為(wei) 它們(men) 所束縛，在空間形成排列有序的晶體(ti) 。如下圖所示：

矽晶體的空間排列與共價鍵結構平麵示意圖

3.共價(jia) 鍵

共價(jia) 鍵上的兩(liang) 個(ge) 電子是由相鄰原子各用一個(ge) 電子組成的，這兩(liang) 個(ge) 電子被成為(wei) 束縛電子。束縛電子同時受兩(liang) 個(ge) 原子的約束，如果沒有足夠的能量，不易脫離軌道。因此，在絕對溫度T=0°K（-273°C）時，由於(yu) 共價(jia) 鍵中的電子被束縛著，本征半導體(ti) 中沒有自由電子，不導電。隻有在激發下，本征半導體(ti) 才能導電

4.電子與(yu) 空穴

當導體(ti) 處於(yu) 熱力學溫度0°K時，導體(ti) 中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價(jia) 電子能量增高，有的價(jia) 電子可以掙脫原子核的束縛，而參與(yu) 導電，成為(wei) 自由電子。這一現象稱為(wei) 本征激發，也稱熱激發。

自由電子產(chan) 生的同時，在其原來的共價(jia) 鍵中就出現了一個(ge) 空位，原子的電中性被破壞，呈現出正電性，其正電量與(yu) 電子的負電量相等，人們(men) 常稱呈現正電性的這個(ge) 空位為(wei) 空穴。

電子與(yu) 空穴的複合

可見因熱激發而出現的自由電子和空穴是同時成對出現的，稱為(wei) 電子空穴對。遊離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為(wei) 複合，如圖所示。本征激發和複合在一定溫度下會(hui) 達到動態平衡。

空穴的移動

由於(yu) 共價(jia) 鍵中出現了空穴，在外加能源的激發下，鄰近的價(jia) 電子有可能掙脫束縛補到這個(ge) 空位上，而這個(ge) 電子原來的位置又出現了空穴，其它電子又有可能轉移到該位置上。這樣一來在共價(jia) 鍵中就出現了電荷遷移—電流。

電流的方向與(yu) 電子移動的方向相反，與(yu) 空穴移動的方向相同。本征半導體(ti) 中，產(chan) 生電流的根本原因是由於(yu) 共價(jia) 鍵中出現了空穴。由於(yu) 空穴數量有限，所以其電阻率很大

空穴在晶體(ti) 中的移動（動畫）

2.1.3 雜質半導體(ti)

在本征半導體(ti) 中摻入某些微量元素作為(wei) 雜質，可使半導體(ti) 的導電性發生顯著變化。摻入的雜質主要是三價(jia) 或五價(jia) 元素。摻入雜質的本征半導體(ti) 稱為(wei) 雜質半導體(ti) 。

1. N型半導體(ti)

在本征半導體(ti) 中摻入五價(jia) 雜質元素，例如磷，可形成 N型半導體(ti) ,也稱電子型半導體(ti) 。因五價(jia) 雜質原子中隻有四個(ge) 價(jia) 電子能與(yu) 周圍四個(ge) 半導體(ti) 原子中的價(jia) 電子形成共價(jia) 鍵，而多餘(yu) 的一個(ge) 價(jia) 電子因無共價(jia) 鍵束縛而很容易形成自由電子。k在N型半導體(ti) 中自由電子是多數載流子,它主要由雜質原子提供；另外，矽晶體(ti) 由於(yu) 熱激發會(hui) 產(chan) 生少量的電子空穴對，所以空穴是少數載流子。

在N型半導體(ti) 中自由電子是多數載流子,它主要由雜質原子提供；另外，矽晶體(ti) 由於(yu) 熱激發會(hui) 產(chan) 生少量的電子空穴對，所以空穴是少數載流子。

N型半導體(ti) 結構

提供自由電子的五價(jia) 雜質原子因帶正電荷而成為(wei) 正離子，因此五價(jia) 雜質原子也稱為(wei) 施主雜質。N型半導體(ti) 的結構示意圖如圖所示。

所以，N型導體(ti) 中的導電離子有兩(liang) 種：自由電子——多數載流子（由兩(liang) 部分組成）；

空穴——少數載流子

2. P型半導體(ti)

在本征半導體(ti) 中摻入三價(jia) 雜質元素，如硼、镓、銦等形成了P型半導體(ti) ，也稱為(wei) 空穴型半導體(ti) 。

因三價(jia) 雜質原子在與(yu) 矽原子形成共價(jia) 鍵時，缺少一個(ge) 價(jia) 電子而在共價(jia) 鍵中留下一個(ge) 空穴。當相鄰共價(jia) 鍵上的電子因受激發獲得能量時，就可能填補這個(ge) 空穴，而產(chan) 生新的空穴。空穴是其主要載流子。

P型半導體(ti) 結構

在P型半導體(ti) 中，硼原子很容易由於(yu) 俘獲一個(ge) 電子而成為(wei) 一個(ge) 帶單位負電荷的負離子，三價(jia) 雜質 因而也稱為(wei) 受主雜質。 而矽原子的共價(jia) 鍵由於(yu) 失去一個(ge) 電子而形成空穴。所以P型半導體(ti) 的結構示意圖如圖所示。

P型半導體(ti) 中空穴是多數載流子，主要由摻雜形成；電子是少數載流子，由熱激發形成。

3. 雜質對半導體(ti) 導電性的影響

摻入雜 質對本征半導體(ti) 的導電性有很大的影響，一些典型的數據如下:

1.T=300 K室溫下,本征矽的電子和空穴濃度: n = p =1.4×1010/cmз

2.本征矽的原子濃度: 4.96×1022/cmз

3.摻雜後 N 型半導體(ti) 中的自由電子濃度: n=5×1016/cmз

以上三個(ge) 濃度基本上依次相差1000000/cmз 。