半导体的主要特性

一、本征半导体的导电特性1.导体、绝缘体和半导体自然界中的物质从其电结构和导电性能上区分，可分为导体、绝缘体和半导体。

如金、银、铜、铝、铁等金属材料很容易导电，我们称它们为导休。

导体的电阻率小于10-6cm。

如陶瓷、云母、塑料、橡胶等物质很难导电，我们称它们为绝缘体。

绝缘体的电阻率大于108cm。

有一类物质，如硅、锗、硒、硼及其一部分化合物等，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，故称之为半导体。

半导体的电阻率在10-6～108之间。

众所周知，导体具有良好的导电性，绝缘体具有良好的绝缘性，它们都是很好的电工材料。

我们用导体制成电线，用绝缘体来防止电的浪费和保障安全。

而半导体却在很长时间被人们所不齿，因为它的导电性能不好，绝缘性能又差。

然而它的不公正待遇随着人们对它所产生的愈来愈浓厚的兴趣消失了，它终于登上了大雅之堂！这是为什么呢？这是因为它具有一些可以被人们所利用的奇妙特性。

半导体在不同情况下，导电能力会有很大差别，有时犹如导体。

在什么情况下呢？①掺杂：在纯净的半导体中适当地掺入极微量（百万分之一）的杂质，就可以引起其导电能力成百万倍的增加。

②温度：当温度稍有变化，半导体的导电能力就会有显著变化。

如温度稍有增高，半导体的电阻率就会显著减小。

同理光照也会影响半导体的导电能力。

2.本征半导体的原子结构本征半导体——非常纯净且原子排列整齐的半导体。

（纯度约为99.999999999%。

即杂质含量为10的9次方分之一。

）硅原子一14个带负电的电子围绕带正电的原子核运动，并按一定的规律分布在三层电子轨道上。

锗原子一32个带负电的电子围绕带正电的原子核运动，并按一定的规律分布在四层电子轨道上。

由于原子核带正电与电子电量相等，正常情况下原子呈中性。

由于内层电子受核的束缚较大，很少有离开运动轨道的可能。

所以它们和原子核一起组成惯性核。

外层电子受原子核的束缚较小。

叫做价电子。

硅、锗都有四个价电子，故都是四价元素，其简化图见电子课件。

半导体的基本特性自然界的物质依照导电程度的难易可大略分为三大类导体、半导体和绝缘体顾名思义半导体的导电性介於容易导电的金属导体和不易导电的绝缘体之间。

半导体的种类很多有属於单一元素的半导体如矽Si和锗Ge也有由两种以上元素结合而成的化合物半导体如砷化镓GaAs和砷磷化镓铟GaxIn1-xAsyP1-y等。

在室温条件下热能可将半导体物质内一小部分的原子与原子间的价键打断而释放出自由电子并同时产生一电洞。

因为电子和电洞是可以自由活动的电荷载子前者带负电后者带正电因此半导体具有一定程度的导电性。

电子在半导体内的能阶状况可用量子力学的方法加以分析见图一。

在高能量的导电带内Ec以上电子可以自由活动自由电子的能阶就是位於这一导电带内。

最低能区Ev以下称为「价带」被价键束缚而无法自由活动的价电子能阶就是位於这一价带内。

导电带和价带之间是一没有能阶存在的「禁止能带」或称能隙Eg在没有杂质介入的情况下电子是不能存在能隙里的。

在绝对温度的零度时一切热能活动完全停止原子间的价键完整无损所有电子都被价键牢牢绑住无法自由活动这时所有电子的能量都位於最低能区的价带价带完全被价电子占满而导电带则完全空著。

价电子欲脱离价键的束缚而成为自由电子必须克服能隙Eg提升自己的能阶进入导电带。

热能是提供这一能量的自然能源之一。

以矽半导体为例能隙Eg为1.1电子伏特在室温300 K下热能打断价键而产生电子和电洞的速率与电子和电洞的再结合速率达到帄衡时电子的密度约为1.5×1010cm-3。

因为矽的原子密度约为5×1022cm-3可知因室温热能而被打断的价键数在比例上是微乎其微的。

在电子被释放出来的同时必然留下一带正电荷的电洞在价带上见图一a。

温度越高被热能释放出来的电子和电洞的数量也越多。

因此纯半导体又称本质半导体的导电性遂因温度的升高而增大这与金属导体的电阻随温度的升高而变大的现象正好相反。

我们再以矽半导体为例来探讨杂质的掺入对於半导体导电性的影响。

半导体的特性
半导体是一种具有介于导体和绝缘体之间的电导性能的材料。

其特
性包括：
1. 导电性：半导体具有介于导体和绝缘体之间的导电性能。

在绝缘
体中，电子无法自由移动，而在导体中，电子可以自由移动。

半导体
的特点是在常温下，其导电性由掺杂与温度控制。

2. 能带结构：半导体的原子排列形成了能带结构，其中包含导带和
价带。

绝缘体的导带与价带之间的能隙非常大，而导体几乎没有能隙。

半导体的能隙介于导体和绝缘体之间，通常为1-3电子伏特。

3. 温度对导电性的影响：与导体不同，半导体的电导性能与温度密
切相关。

随着温度的升高，半导体的电导性能也会增加。

4. 掺杂：通过在半导体晶体中掺入少量的杂质，可以显著地改变其
导电性质。

杂质的掺杂可以分为N型和P型。

N型掺杂引入一个附加
的自由电子，而P型掺杂引入一个附加的空穴。

5. PN结：将N型和P型的半导体材料接触在一起形成PN结。

PN
结具有整流作用，即在正向偏置时，电流可以流动，而在反向偏置时，电流被阻塞。

6. 半导体器件：半导体的特性使其成为制造各种电子器件的理想材料，如二极管、晶体管、场效应管和集成电路等。

总的来说，半导体的特性使其成为现代电子技术的基础，广泛应用于计算机、通信、光电等领域。

动画1-1本征半导体的导电特性
动画1-2空穴的运动
3 杂质半导体：
N型半导体（电子型半导体）
——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。
因五价杂质原子中四 个价电子与周围四个 半导体原子中的价电 子形成共价键，多余 的一个价电子因无共 价键束缚而很容易形 成自由电子。
vi
RL vo
vo
t
例3：设二极管的导通电压忽略，已知
vi=10sinwt(V)，E=5V，画vo的波形。
vi 10v
5v
R
t
D
vo
vi
E
vo
5v
t
例4：电路如下图，已知v=10sin(t)(V)，
E=5V，试画出vo的波形
vi
解：
t
vD
t
例5：VA=3V, VB=0V，求VF (二极管的导 通电压忽略)
PN结区的少子在内电场的
作用下形成的漂移电流大
于扩散电流，可忽略扩散 电流，由于漂移电流是少子
外电场
形成的电流，故反向电流
非常小，PN结呈现高阻性。
在一定的温度条件下，由本征激发决定的 少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流 是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无 关，这个电流也称为反向饱和电流。
•P型半导体中空穴数>>自由电子数
•自由电子为 P型半导体的少数载流子，空穴为 P型半 导体的多数载流子
P型半导体简化图
Si
B
Si
Si
Si
Si
4 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。
一些典型的数据如下:
T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3