半导体基本知识

目录

本征半导体

本征半导体的导电机理

载流子

杂质半导体

N型半导体（电子型半导体）

P型半导体（空穴型半导体）

杂质半导体的导电机理

总结

半导体，是导电能力基于导体和绝缘体之间的物质。

半导体的主要材料是：硅（Si）、锗（Ge）等

半导体按照其材质可以分为以下两类：

其一，本征半导体

其二，杂质半导体

本征半导体

“本征”二字看起来很是抽象，但可以组词理解——“本质的特征”。

没错，对于本征半导体的最本质特征就是纯净无杂质的（和后续杂质半导体相对应）。

故，也可以叫做“纯净半导体”或者I型半导体（I：intrinsic semiconductor）

既然半导体是介于导体和绝缘体之间，那么我们的半导体也一定具备一定的导电能力。

本征半导体的导电机理

让我们将视角放在微观世界，放到我们的元素“硅”身上。

硅是四价元素（锗也是），也就是说硅的最外层电子层恰好拥有4个电子（价电子）。

如下图，

如上图，内部的“+4”表示为“惯性核”（原子核和内层电子），带4个正电。

硅和锗的本征半导体的结构就是，单原子最外层的四个电子和相邻的原子核组成四个电子对。形成一个稳定的、整齐的晶体结构。

这种相邻原子共用电子对的结构，叫做共价键。

如下图

半导体有没有可能不导电？

有！

在绝对零度切没有光照的时候，这个（价）电子无法摆脱共价键的束缚，在此刻，本征半导体不导电。相反，在是室温与光照中，会产生“本征激发”现象。这种现象是指少数价电子获取足够的能量而脱离共价键的束缚。

打个比喻，价电子在没获得足够的能量时候，没有底气“离家出走”，当获得了能量时，有了底气，脱离共价键的管束，跑出去了。此刻称它自由电子；那么，电子的出走，在原地留下了一个空位，我们把这个空位叫做“空穴”。

没错，由此可知，本征激发的现象会产生成对的自由电子和空穴，但数量相对较少。

出走的自由电子还会回来吗？

会的。

自由电子和空穴在运动中相遇、结合，这种现象称为复合。

有人发问，不对啊，自由电子出走，在原地留下空穴。空穴为什么会移动呢？其次，空穴为什么能与自由电子结合呢？

对此，我们都知道，原子的外层电子是带负电的，那么对于价电子的出走，其肯定是带负电。而对于空穴，正是因为它的出现是代表电子的缺失，导致出这个区域呈现正电的特征。

至于为什么空穴会运动，这是一个相对的概念。我们都知道“异性相吸，同性相斥”，所以当（负）价电子们脱离移动时候，又会和相应缺失电子的空穴相结合，那么相比带有正电的空穴就是与其相反的方向移动的。所以，空穴是一种概念上的等效。

如下图，

还记得自由电子和空穴是成对出现吗？

当温度一定的时候，自由电子和空穴的产生与复合将达到动态平衡，这时候自由电子-空穴对的浓度一定。

T一定时，空穴浓度=电子浓度

载流子

这个其实就是另一个名字，但是要叫载流子的话，得满足两个条件。

1. 能运动
2. 带电

“能运动的带电粒子称为载流子”，而载流子的定向运动能形成电流。

我们的半导体中既有自由电子（负）也有空穴（正），两种载流子参与导电，这也是半导体的特殊之处。

杂质半导体

前文有说过，本征与杂质相对。所以在这里，杂质半导体的意思显而易见。

但是，为什么有杂质半导体呢？

因为本征半导体受到温度与光照的影响大，故而当我们在本征半导体里面掺入微量杂质元素后，反而可以改善半导体的导电性能。

那么，接下来就让我们迎来这两种概念：

N型半导体（电子型半导体）

这是掺入了五阶元素（如磷、砷、锑）形成的杂质半导体。

取Negative（负面）的首字母称其N型

P型半导体（空穴型半导体）

这是掺入了三阶元素（如硼、铝、铟）形成的杂质半导体。

取Positive（正面）的首字母称其P型

之所以如此称呼，和我们后面要说到这两种类型的导电机理有关了。

杂质半导体的导电机理

N型

对于掺入的五价杂质，代替了原本晶格中四价原子的位置，那么必然会多出一个电子没有对应的电子和它结合组成共价键。在室温下，这个价电子就挣脱束缚变成了自由电子，同时，五价杂质因为失去了一个（负）电子，多出（正）空穴，负的数量<正的数量。整体变成了正离子，也叫做“施主离子”。

我们掺入了多少杂质原子就能产生多少个自由电子，所以自由电子的浓度是逐步增加的，而由本征激发现象产生的空穴的数量是一定的，会被更多自由电子复合，故而空穴浓度降低。

所以在N型中，自由电子占多数，为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子）。

P型

同理可知，三价杂质的掺入使得共价键缺少一个价电子而产生一个空位，在本征激发下，这个空位会被相邻共价键中价电子填补，这是的掺杂物质变成负离子（受主离子），同时产生新的空穴。然而本征激发下，空穴浓度=电子浓度。所以这种掺杂使得空穴浓度大大增加，自由电子浓度减小。

所以在P型中，空穴占多数，为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）。

由以上我们可以知道，在杂质半导体里面，存在自由电子、空穴、杂质离子三种带电的粒子。

虽然都带电，但是从宏观上看，依然呈现电中性。因为杂质离子是不能移动的，不是载流子。比如，负离子的数量，和带正电的自由移动的空穴数量是严格相等的，整体呈现电中性，反之亦然。

总结

当掺杂浓度高时，多子浓度高，多子浓度高时，杂质半导体的导电性能更好。其次，因为少子由本征激发产生，对光照与温度敏感，可用于相应传感器的制作。

第一次写文章，生疏之处望求教。