模擬電路網絡課件 第三節:半導體的基本知識

2.1 半導體的基本知識

2.1.1 半導體材料

導電性能介于導體與絕緣體之間材料，我們稱之為半導體。

在電子器件中，常用的半導體材料有：元素半導體，如硅（Si）、鍺（Ge）等；化合物半導體，如砷化鎵（GaAs）等；以及摻雜或制成其它化合物半導體材料，如硼（B）、磷（P）、錮（In）和銻（Sb）等。其中硅是最常用的一種半導體材料。

半導體有以下特點：

1．半導體的導電能力介于導體與絕緣體之間

2．半導體受外界光和熱的刺激時，其導電能力將會有顯著變化。

3．在純凈半導體中，加入微量的雜質，其導電能力會急劇增強。

2.1.2? 半導體的共價鍵結構

在電子器件中，用得最多的半導體材料是硅和鍺，它們的簡化原子模型如下圖a所示。硅和鍺都是四價元素，在其最外層原子軌道上具有四個電子，稱為價電子。由于原子呈中性，故在圖中原子核用帶圓圈的+4符號表示。半導體與金屬和許多絕緣體一樣，均具有晶體結構，它們的原子形成有序的排列，鄰近原子之間由共價鍵聯結，其晶體結構示意圖如圖b所示。圖b中表示的是晶體的二維結構，實際上半導體晶體結構是三維的。

本征半導體是一種完全純凈、結構完整的半導體晶體。

三、本征半導體中的兩種載流子

本征激發

在室溫下，本征半導體共價鍵中的價電子獲得足夠的能量，掙脫共價鍵的束縛進入導帶，成為自由電子，在晶體中產生電子-空穴對的現象稱為本征激發.

空穴

在本征激發中，價電子成為自由電子后共價鍵上留下空位，這個空位稱為空穴。空穴是一個帶正電的粒子，其電量與電子相等，電極性相反，在外加電場作用下，可以自由地在晶體中運動，它和自由電子一樣可以參加導電。

空穴、電子導電機理

由于共價鍵出現了空穴，在外加電場或其他因素的作用下，鄰近價電子就可填補到這個空位上，而在這個電子原來的位置上又留下新的空位，以后其他電子又可轉移到這個新的空位。這樣就使共價鍵中出現一定的電荷遷移。空穴的移動方向和電子移動的方向是相反的。

2.1.4 雜質半導體

一、P型半導體

在硅（或鍺）的晶體內摻入三價元素雜質而形成的雜質半導體，稱為P型半導體。

在P型半導體中多數載流子是空穴（由摻雜產生），電子為少數載流子（由本征激發產生）。

在硅（或鍺）的晶體內摻入少量三價元素雜質，如硼（或錮）等，因硼原子只有三個價電子，它與周圍硅原子組成共價鍵時，因缺少一個電子，在晶體中便產生一個空位，當相鄰共價鍵上的電子受到熱振動或在其他激發條件下獲得能量時，就有可能填補這個空位，使硼原子成為不能移動的負離子，而原來硅原子的共價鍵則因缺少一個電子，形成了空穴，硼原子接受電子，稱硼為受主，如圖所示。

二、N型半導體

在硅或鍺的晶體中摻入五價元素雜質而形成的雜質半導體，稱為N型半導體。

在N型半導體中多數載流子是電子（由摻雜產生），空穴為少數載流子（由本征激發產生）。

在硅或鍺的晶體中摻入五價元素，它的五個價電子中有四個與周圍的硅原子結成共價鍵后，多出一個價電子。在室溫下，原子對于這個多余的價電子束縛力較弱，它很容易被激發而成為自由電子。這樣，雜質原子就變成帶正電荷的離子。由于雜質原子可以提供電子，故稱為施主原子。這種雜質半導體中自由電子的濃度遠遠大于同一溫度下本征半導體中自由電子的濃度，這就大大增強了半導體的導電能力。