半导体的基本知识

根据物体的导电能力，它们可以划分成为导体、半导体和绝缘体。导电能力往往用电阻率来表示，单位是W×cm。一般规定半导体的电阻率在10-3～109 W×cm之间。典型的半导体有硅(Si)和锗(Ge)，以及砷化镓(GaAs)等。硅和锗在元素周期表上是四价元素，砷化镓则属于半导体化合物。

1.1.1 本征半导体

1.1.1.1 本征半导体的定义

本征半导体是化学成分纯净、物理结构完整的半导体。半导体在物理结构上有多晶体和单晶体两种形态，制造半导体器件必须使用单晶体，即整个一块半导体材料是由一个晶体组成的。制造半导体器件的半导体材料纯度要求很高，要达到99.9999999%，常称为“九个9”。

1.1.1.2 本征半导体的共价键结构 

硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。根据化学的知识可以知道，最外层的价电子受原子核的束缚力最小，容易脱离原子核的束缚而成为自由电子。在半导体晶体中，一个原子最外层的价电子分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。

1.1.1.3 电子空穴对

当半导体处于热力学温度0 K时，且无外界激发的条件下，物体中没有自由电子。当温度升高大于0 K时，或受到光的照射等外界激发时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，成为自由电子，从而可能参与导电。这一现象称为本征激发（也称热激发）。

1.1.1.4 空穴的移动

自由电子的定向运动就形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的电流方向相反。与空穴相邻共价键中的价电子很容易充填空穴，这样就造成了空穴的运动。空穴运动的情况。

1.1.2 杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量杂质元素，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素，掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。要注意，这里的杂质半导体是在提纯的本征半导体中掺入一定浓度的三价或五价元素而得到的，不是普通意义上的含有多种任意杂质的半导体。

1.1.2.1 N型半导体

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体，也称电子型半导体。

1.1.2.2 P型半导体

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。

1.1.3 杂质对半导体导电性的影响

掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，因为多数载流子是由掺入的杂质的浓度决定的。一些典型的数据如下：

T = 300K 室温下,本征硅的原子浓度：                    4.96×1022 /cm3

本征硅的电子和空穴浓度为:                             n = p =1.4×1010/cm3

掺杂后，N 型半导体中的自由电子浓度为 ：         n=5×1016 /cm3

这三个数据为便于记忆，基本上各相差六个数量级（一百万倍）。由这些数据可以看出，本征硅的电子和空穴浓度相当少数载流子的浓度，掺杂后，N 型半导体中的自由电子浓度相当多数载流子的浓度，同时可以看出掺杂对半导体的导电性影响是多么大。

1.1.4 温度对半导体导电性的影响

    温度对半导体的导电性能也有很大的影响，以上给出的本征硅原子浓度等三个数据都是在一定温度条件下（T = 300K）得出的。当温度升高时，半导体的导电性将迅速提高，所以温度对半导体的导电性有很大的影响。用半导体制成的半导体器件在实际工作时，必须注意温度的影响，或限制半导体器件的温度不超过一定值。