[经验]

半导体的导电特性

2018-2-11 09:49:21

7456 半导体导电特性

半导体具有独特的导电性能。当环境温度升髙或有光照时，它们的导电能力会显著增加，所以利用这些特性可以做成各种温敏元件（如热敏电阻）和各种光敏元件（如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等）。更重要的是，如果在纯诤的半导体中加入适量的微量杂质后，可使其导电能力增加至数十万倍以上。利用这一特性，已经做成各种不同用途的半导体器件（如二极管、三极管、场效应管和晶闸管等）。
温度、光照和适量掺入杂质这三种因素对半导体导电性能的强弱影响很大，所以半导体的导电特性可以概括如下。
热敏性：当环境温度升髙时，导电能力显著增强。
光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化。
掺杂性：当纯诤的半导体中摻入某些适量杂质，导电能力明显改变。
2. 本征半导体
制作半导体器件时用得最多的半导体材料是硅和锗，它们原子核的最外层都有4个价电子。将硅或锗材料提纯（去掉杂质）并形成单晶体后，所有原子在空间便基本上整齐排列。半导体一般都具有这种晶体结构，所以半导体也称为晶体。本征半导体就是完全纯诤的、具有晶体结构的半导体。
(1)本征半导体的原子结构及共价键
在本征半导体中，相邻的两个原子的一对最外层电子成为共用电子，这样的组合称为共价键结构，如图1-1所示。共价键内的两个电子是由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。这样每个原子核最外层等效有8个价电子，由于价电子不易挣脱原子核束缚而成为自由电子，因此本征半导体导电能力较差：
(2)本征激发现象
在热力学温度oK(-273°C)时，本征半导体中的每个价电子都被束缚在共价键中，不存在自由运动的电子，本征半导体相当于绝缘体。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量増高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。与此同时，在该共价键上留下了一个空位，这个空位称为空穴。这种现象称为本征激发（也称热激发）。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子一空穴对，如图1-2所示。温度越高，产生的电子一空穴对数目就越多，这就使得游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。

在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时自由电子和空六的浓度一定，且自由电子数和空六数相等。
(3)半导体的导电原理
当半导体两端加上外施电压后，半导体中有两类作相反运动的导电粒子形成的电流：一类是自由电子作定向运动形成的电子电流，另一类是被原子核束缚的价电子填补空穴而形成的空六电流。因此，在半导体中有自由电子和空六两种承载电流的粒子（即载流子），这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体与金属导体在导电机理上的本质差别。
空穴导电的实质是相邻原子中的价电子（共价键中的束缚电子）依次填补空穴而形成电流。由于电子带负电，而电子的运动与空六的运动方向相反，因此认为空穴带正电。
温度越高，产生的电子一空穴对数量就越多，导电能力增强，所以溫度对半导体器件有很大影响。
3.杂质半导体
掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。杂质半导体是半导体器件的基本材料。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。
(1) P型半导体
在本征半导体中掺入微量的三价元素（如硼）就形成P型半导体，结构示意如图1-3所示。
可见每掺入一个三价原子，就能提供一个空穴，所以在P型半导体中，空穴浓度远大于自由电子浓度，空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子。此时，杂质半导体仍然呈现电中性。

(2) N型半导体
在本征半导体中掺入微量的五价元素（如磷）就形成N型半导体，结构示意图如图1-4所示。
可见每掺入一个五价原子，就能提供一个自由电子，所以在N型半导体中，
自由电子浓度远大于空穴浓度，自由电子为多数载流子，空穴是少数载流子。此时，杂质半导体仍然呈现电中性。

注意：杂质半导体中的多数载流子的浓度主要取决于掺杂浓度；而少数载流子是因本征激发产生，因而其浓度与掺杂无关，只与温度等激发因素有关。

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