半导体基础知识(SOC_001)
本征半导体;杂质半导体;PN节
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书籍: 电子线路基础(第三版) 闵锐 西安电子科技大学出版社
ISBN: 978-7-5606-4903-0
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1. 材料导电性及其分类
依据材料的电阻率\((\rho)\)将材料分为以下三类:
- 导体: \(\rho<10^{-4}\Omega\cdot cm\)
- 绝缘体:\(\rho>10^{10}\Omega\cdot cm\)
- 半导体:\(10^{-4}\Omega\cdot cm<\rho<10^{10}\Omega\cdot cm\), 如硅(Si)和锗(Ge)
用半导体材料制作电子元器件， 不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间， 而是介于其导电能力会随若温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体的热敏特性、光敏特性和掺杂特性.
2. 半导体的导电特性
2.1 本征半导体
纯净的单晶半导体称为本征半导体，即不含任何杂质，结构完整的半导体。
2.1.1 本征半导体的晶体结构
常用的半导体材料硅(Si)和锗(Ge)的原子序数分别为14 和32. 它们的原子结构如图1 - 1 (a) 和(b)所示。由图可见，硅和绪原子的最外层轨道上都有四个电子，同属于四价元素。由于内层电子受原子核的束缚力很大． 很难脱离原子核，为简化起见． 将内层电子和原子核看成一个整体, 称为惯性核，它的净电量是四个正电子电量。最外层的四个电子受原子核的束缚力较小，有可能成为自由电子，常称为价电子。硅或绪原子的简化模型如图1 -1 (c)所示。
原子在晶体中按一定几何规律排列的空间格架叫晶格。整块晶体内部原子排列规律相同． 晶格位相一致的晶体称为单晶体。硅和锗的单晶体即为本征半导体。硅或锗制成单晶体后，相邻两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但受本身原子核的吸引， 而且受相邻原子核的吸引， 从而将两个原子牢固地束缚在一起， 这种共用价电子所形成的束缚作用就叫共价键。硅或锗原子最外层的四个价电子，正好和相邻的四个原子中的价电子组成四个共用电子对，构成四个共价键，使每个硅或锗原子的最外层电子获得稳定结构．如图1 - 2所示
2.1.2 本征半导体中的两种载流子(★★)
在室温下(\(T= 27°C或T=300 K\)), 本征半导体中一部分价电子因受热而获得足够的能够挣脱共价键的束缚成为自由电子， 与此同时， 在该共价键上留下了空位，这个空位称为空穴。由于本征半导体在室温下每产生一个自由电子必然会有一个空穴出现，即电子与空穴成对产生，称之为电子— 空穴对。这种由于本征半导体受热而产生电子一空穴对的现象称为本征激发。
空穴是能够运动的，其运动的实质是价电子填补空位的运动，空穴的运动方向与价电子的运动方向相反。通常． 将运载电荷的粒子称为载流子，由于带负电荷的价电子依次填补空穴的作用与带正电荷的粒子作反方向运动的作用效果相同，因此可把空穴看成是带正电荷的粒子，即空穴也是一种载流子， 它所带电量与电子电量相等符号相反。
本征半导体导电依靠两种载流子--自由电子和空穴. 一方面，本征激发能使本征半导体内自由电子和空穴成对产生；另一方面，有些自由电子和空穴在运动中相遇． 空穴又被自由电子填入，电子一空穴成对消失，这种现象称为复合。
2.1.3 热平衡载流子的浓度
在本征半导体中不断地进行着激发与复合两种相反的过程， 当温度一定时，两种状态达到动态平衡、即本征激发产生的电子一空穴对， 与复合的电子一空穴对数目相等， 这种状态称为热平衡状态。
半导体中自由电子和空穴的多少分别用浓度（单位体积中载流子的数目）\(n_i\) 和\(p_i\) 来表示。处于热平衡状态下的本征半导体, 其载流子的浓度是一定的，并且自由电子的浓度和空穴的浓度相等。根据半导体物理中的有关理论， 可以证明
式中． 浓度单位为\(cm^{-3}\), \(K\) 是常量（硅为\(3. 88 \times 10^{16}\ cm^{-3} K^{-3/2}\), 锗为\(1.76 \times 10^{16}\ cm^{-3} K^{-3/2}\)).\(T\)为热力学温度，\(K\)是玻尔兹曼常数(\(8. 63 \times 10^{-5} eV/ K\)), \(E_{g0}\)是\(T=0\ K\)（即\(-273^{\circ}C\) 时的禁带宽度（硅为\(1. 21 eV\), 绪为\(0. 785 eV\))。
式(1 - 1)表明, 本征半导体的载流子浓度和温度、材料有关。尽管本征半导体在室温情况下具有一定的导电能力． 但是，本征半导体中载流子的数目远小于原子数目． 因此本征半导体的导电能力是很低的。
2.2 杂质半导体
掺入杂质的半导体称为杂质半导体.
2.2.1 N型半导体
在纯净的单晶体硅中，掺入微量的五价杂质元素， 如磷、砷、锑等，使原来晶格中的某些硅原子被杂质原子所取代，便构成N型半导体。
在N 型半导体中，由于杂质原子产生自由电子的同时并不产生空穴，因此自由电子的浓度远大于空穴的浓度，故称自由电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子）。由于五价杂质原子能释放出电子，因此这类杂质原子称为施主原子。
2.2.2 P型半导体
在纯净的单晶硅中掺入微量的三价杂质元素，如硼、稼、铟等，便构成P型半导体。
由于三价杂质原子所产生的空位起着接受电子的作用，因此称之为受主原子。在P型半导体中，由于掺入的是三价杂质元素，使空穴浓度远大于自由电子浓度，因此空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子。
关于半导体类型的记忆
记英语!
正电荷——Positive Charge；负电荷——Negative Charge
N型半导体——自由电子多，即负电荷多；P型半导体——空穴多，即正电荷多
2.3 PN结
在一块完整的本征半导体硅或锗片上，利用不同的掺杂工艺，使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，在它们的交界处便形成PN结。
2.3.1 PN结的形成
