模拟电路网络课件 第三节:半导体的基本知识

2.1 半导体的基本知识

2.1.1 半导体材料

导电性能介于导体与绝缘体之间材料，我们称之为半导体。

在电子器件中，常用的半导体材料有：元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等；以及掺杂或制成其它化合物半导体材料，如硼（B）、磷（P）、锢（In）和锑（Sb）等。其中硅是最常用的一种半导体材料。

半导体有以下特点：

1．半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间

2．半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。

3．在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。

2.1.2  半导体的共价键结构

在电子器件中，用得最多的半导体材料是硅和锗，它们的简化原子模型如下图a所示。硅和锗都是四价元素，在其最外层原子轨道上具有四个电子，称为价电子。由于原子呈中性，故在图中原子核用带圆圈的+4符号表示。半导体与金属和许多绝缘体一样，均具有晶体结构，它们的原子形成有序的排列，邻近原子之间由共价键联结，其晶体结构示意图如图b所示。图b中表示的是晶体的二维结构，实际上半导体晶体结构是三维的。

本征半导体是一种完全纯净、结构完整的半导体晶体。

图a

图b

三、本征半导体中的两种载流子

本征激发

在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量，挣脱共价键的束缚进入导带，成为自由电子，在晶体中产生电子-空穴对的现象称为本征激发.

空穴

在本征激发中，价电子成为自由电子后共价键上留下空位，这个空位称为空穴。空穴是一个带正电的粒子，其电量与电子相等，电极性相反，在外加电场作用下，可以自由地在晶体中运动，它和自由电子一样可以参加导电。

空穴、电子导电机理

由于共价键出现了空穴，在外加电场或其他因素的作用下，邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，以后其他电子又可转移到这个新的空位。这样就使共价键中出现一定的电荷迁移。空穴的移动方向和电子移动的方向是相反的。

2.1.4 杂质半导体

一、P型半导体

在硅（或锗）的晶体内掺入三价元素杂质而形成的杂质半导体，称为P型半导体。

在P型半导体中多数载流子是空穴（由掺杂产生），电子为少数载流子（由本征激发产生）。

在硅（或锗）的晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼（或锢）等，因硼原子只有三个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空位，当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子，形成了空穴，硼原子接受电子，称硼为受主，如图所示。

二、N型半导体

在硅或锗的晶体中掺入五价元素杂质而形成的杂质半导体，称为N型半导体。

在N型半导体中多数载流子是电子（由掺杂产生），空穴为少数载流子（由本征激发产生）。

在硅或锗的晶体中掺入五价元素，它的五个价电子中有四个与周围的硅原子结成共价键后，多出一个价电子。在室温下，原子对于这个多余的价电子束缚力较弱，它很容易被激发而成为自由电子。这样，杂质原子就变成带正电荷的离子。由于杂质原子可以提供电子，故称为施主原子。这种杂质半导体中自由电子的浓度远远大于同一温度下本征半导体中自由电子的浓度，这就大大增强了半导体的导电能力。