半導體的導電特性

自然界的各種物質就其導電性能來說，可以分為導體、絕緣體和半導體三大類。
　　半導體的導電能力介于導體和絕緣體之間，如硅、鍺等，它們的電阻率通常在之間。半導體之所以得到廣泛應用，是因為它的導電能力受摻雜、溫度和光照的影響十分顯著。如純凈的半導體單晶硅在室溫下電阻率約為 ，若按百萬分之一的比例摻入少量雜質（如磷）后，其電阻率急劇下降為 ，幾乎降低了一百萬倍。半導體具有這種性能的根本原因在于半導體原子結構的特殊性。
　　
　　1.1.1　本征半導體

(a)鍺Ge????????? (b)硅Si
圖1.1.1 鍺和硅原子結構
　　常用的半導體材料是單晶硅（Si）和單晶鍺（Ge）。所謂單晶，是指整塊晶體中的原子按一定規則整齊地排列著的晶體。非常純凈的單晶半導體稱為本征半導體。

　　1.本征半導體的原子結構
　　半導體鍺和硅都是四價元素，其原子結構示意圖如圖1.1.1所示。它們的最外層都有4個電子，帶4個單位負電荷。通常把原子核和內層電子看作一個整體，稱為慣性核。慣性核帶有4個單位正電荷，最外層有4個價電子帶有4個單位負電荷，因此，整個原子為電中性。

2.本征激發
　　在本征半導體的晶體結構中，每一個原子與相鄰的四個原子結合。每一個原子的價電子與另一個原子的一個價電子組成一個電子對。這對價電子是每兩個相鄰原子共有的，它們把相鄰原子結合在一起，構成所謂共價鍵的結構，如圖1.1.2所示。
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圖　1.1.2 本征硅共價鍵結構
　　一般來說，共價鍵中的價電子不完全象絕緣體中價電子所受束縛那樣強，如果能從外界獲得一定的能量（如光照、升溫、電磁場激發等），一些價電子就可能掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子，將這種物理現象稱作為本征激發。
　　理論和實驗表明：在常溫（T＝300K）下，硅共價鍵中的價電子只要獲得大于電離能EG（＝1.1eV）的能量便可激發成為自由電子。本征鍺的電離能更小，只有0.72eV。
　　當共價鍵中的一個價電子受激發掙脫原子核的束縛成為自由電子的同時，在共價鍵中便留下了一個空位子，稱“空穴”。當空穴出現時，相鄰原子的價電子比較容易離開它所在的共價鍵而填補到這個空穴中來使該價電子原來所在共價鍵中出現一個新的空穴，這個空穴又可能被相鄰原子的價電子填補，再出現新的空穴。價電子填補空穴的這種運動無論在形式上還是效果上都相當于帶正電荷的空穴在運動，且運動方向與價電子運動方向相反。為了區別于自由電子的運動，把這種運動稱為空穴運動，并把空穴看成是一種帶正電荷的載流子。
　　在本征半導體內部自由電子與空穴總是成對出現的，因此將它們稱作為電子-空穴對。當自由電子在運動過程中遇到空穴時可能會填充進去從而恢復一個共價鍵，與此同時消失一個“電子-空穴”對，這一相反過程稱為復合。
　　在一定溫度條件下，產生的“電子—空穴對”和復合的“電子—空穴對”數量相等時，形成相對平衡，這種相對平衡屬于動態平衡，達到動態平衡時，“電子-空穴對”維持一定的數目。
　　可見，在半導體中存在著自由電子和空穴兩種載流子，而金屬導體中只有自由電子一種載流子，這也是半導體與導體導電方式的不同之處。