半导体的导电方式及原理

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：利用这一特性，可制造出各种半导体器件。图1-3 半导体的导电方式纯净半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。在一定温度下，纯净半导体产生的电子-空穴对很少，所以导电能力很差。当环境温度升高时，其电子-空穴对的数目显著增加，导电能力明显提高，这就是半导体的导电性随温度而变化的原因。因为这种半导体的主要是电子导电，故称之为电子半导体或N型半导体。

自然界中的物质，其导电能力有很大不同。导电能力特别强的物质叫做导体，如金、银、铜、铝等。导电能力非常差，几乎可以看成不导电的物质叫做绝缘体，如橡胶、陶瓷等。而导电能力在导体与绝缘体之间的物质叫做半导体，常用的半导体材料有锗、硅、硒及许多金属氧化物和硫化物等。

物质导电能力的大小与物质内部的原子结构和能够运载电荷的粒子（称为载流子）的多少有关。物质内部载流子越多，导电能力越强。物质都是由原子构成的，而原子又是由一个带正电的原子核与若干个带负电的电子所组成。电子分几层围绕原子核作不停的旋转，其中内层电子受原子核的束缚力较大，而外层电子受原子核的束缚力较小。

对于半导体材料来说，原子结构比较特殊，其原子结构外层电子既不像导体的外层电子那样容易脱离原子核的束缚，也不像绝缘体的外层电子那样被原子核束缚得很紧，这就决定了它的导电能力介于导体和绝缘体之间。

半导体具有一些独特的导电性能。温度升降、有无光照及是否掺杂等外界条件，都能引起半导体材料导电性能的显著变化，即半导体具有热敏、光敏、杂敏等特性。例如：在纯净的半导体中适当掺进某些微量杂质，它的导电能力会大大增强。利用这一特性，可制造出各种半导体器件。

制作半导体器件所用的硅和锗都是单晶体，其原子结构如图1-1所示，它们的特点是最外层的电子都是四个，原子最外层的电子称为价电子。

图1-1 硅和锗的原子结构

a）硅（Si） b）锗（Ge）

硅和锗都呈晶体结构，如图1-2所示。每个原子都要争夺四周相邻原子的四个价电子，原子和原子间通过价电子相联组成共价键。

图1-2 晶体中原子的排列

在常温下，它们中的绝大多数价电子受共价键的束缚，处于相对稳定状态。由于热运动或受光照射，其中少量电子获得足够能量，就能挣脱束缚成为自由电子，就会留下一个空位，称为空穴。空穴的出现，是半导体区别于导体的一个重要特征。脱离共价键的自由电子带负电，形成带负电的载流子；空穴由于失去电子而带正电，形成带正电的载流子。此时在外电场作用下，电子逆着电场方向移动形成电子流，而空穴将沿着电场方向移动形成空穴流。由图1-3看出，半导体中形成的电流由两部分组成，即自由电子流和空穴流。前者称为电子导电，后者叫作空穴导电。

图1-3 半导体的导电方式

纯净半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。电子和空穴也会重新结合，称为复合。在一定温度下，纯净半导体产生的电子-空穴对很少，所以导电能力很差。当环境温度升高时，其电子-空穴对的数目显著增加，导电能力明显提高，这就是半导体的导电性随温度而变化的原因。

利用半导体掺杂特性，可以有控制、有选择地掺入微量有用的杂质，制成具有特定导电性的半导体。按掺入杂质的性质不同，可分为电子型半导体和空穴型半导体。

1.N型半导体

若在不含杂质的半导体硅或锗中，掺入少量五价元素磷后，则一个磷原子的五个价电子同相邻四个硅或锗原子结成共价键，还多余一个电子，这个电子受原子核束缚较小，很容易成为自由电子。于是半导体中的自由电子增多，显著提高了它的导电能力。因为这种半导体的主要是电子导电，故称之为电子半导体或N型半导体。在N型半导体中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子，如图1-4a所示。

2.P型半导体

若在不含杂质的半导体硅或锗中，掺入少量三价元素硼后（见图1-4b），则一个硼原子的3个价电子同相邻四个硅或锗原子结成共价键，其中一个键上缺少一个电子，于是形成一个空穴，使得周围共价键上的电子很容易移到这里来。这样，掺入硼的硅或锗晶体中产生大量的空穴，即半导体中空穴多，自由电子少，其主要导电方式是空穴导电，因此称之为空穴型半导体或P型半导体，它与N型半导体相反，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。

图1-4 掺杂质后的半导体

a）锗中掺磷形成自由电子 b）硅中掺硼形成空穴

半导体的导电方式及原理

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