半导体导电特性的探究

2023-06-21 理论教育版权反馈

【摘要】：图7.1.2单晶硅晶体结构本征半导体纯净的、结构完整的半导体晶体,称为本征半导体。图7.1.4N型半导体图4-32 真空泵通过连接软管与三通压力表阀连接图7.1.5P型半导体2)P型半导体在硅(或锗)的晶体中掺入三价铝,铝原子的最外层有3个价电子,在替代原有晶格上的硅原子时,在4个共价键上会多出一个空穴,如图7.1.5所示。这种杂质半导体内空穴的浓度远高于自由电子浓度,故称空穴型半导体或P型半导体。

常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体是由单一元素制成的半导体材料,主要有四价元素硅、锗、硒等,以硅、锗应用最广。化合物半导体主要有砷化镓、磷化镓、磷化铟等。下面以硅为例,讨论半导体及半导体的导电特性。

硅原子核外电子的分布规律如图7.1.1所示。最外层的电子数为4,称为价电子。硅原子在形成单晶结构的过程中与相邻的4个硅原子构成较为紧密的共价键结构,如图7.1.2所示。

pagenumber_ebook=129,pagenumber_book=122

图7.1.1　硅原子结构

pagenumber_ebook=129,pagenumber_book=122

图7.1.2　单晶硅晶体结构

(1)本征半导体

纯净的、结构完整的半导体晶体,称为本征半导体。本征半导体内由于共价键的结合力非常强,因此在热力学温度T=0 K(即t=-273℃)时,价电子无法挣脱共价键的约束,成为自由电子,半导体不导电。当温度升高、光照增强时,价电子获得一定的能量,挣脱共价键的约束而成为自由电子(简称电子),同时在原有共价键上留下一个空位,称为空穴。电子和空穴是成对出现的,称为电子空穴对。电子带负电,则可认为空穴带正电,电子和空穴都是载流子,这是半导体区别于导体的一个重要特征。半导体在热和光的作用下,出现电子空穴对的物理现象,称为本征激发,也称热激发,如图7.1.3所示。本征半导体具有热敏性、光敏性和掺杂性。

(2)杂质半导体

本征激发所产生的电子空穴对的数量很少,常温下半导体的导电性能仍然很差。但如果能在晶格结构上掺入少量的五价或三价杂质元素,半导体的导电性能将得到极大的改善,这种现象称为半导体的掺杂性。掺杂后的半导体称为杂质半导体。杂质半导体是制造半导体器件的基本材料。它依据掺入的杂质的不同,可分为N型半导体和P型半导体。

1)N型半导体

在硅(或锗)的晶体中掺入五价磷,磷原子的最外层有5个价电子,在替代原有晶格上的硅原子时,多出的一个电子,在室温下即可成为自由电子,如图7.1.4所示。这种半导体内自由电子的浓度远高于空穴浓度,故称电子型半导体或N型半导体。N型半导体中多数载流子(简称多子)为自由电子,少数载流子(简称少子)为空穴。

pagenumber_ebook=130,pagenumber_book=123