導體、絕緣體和半導體

物質按導電性能可分為導體、絕緣體和半導體。物質的導電特性取決于原子結構。

（1） 導體

導體一般為低價元素, 如銅、鐵、鋁等金屬, 其最外層電子受原子核的束縛力很小, 因而極易掙脫原子核的束縛成為自由電子。因此在外電場作用下, 這些電子產生定向運動(稱為漂移運動)形成電流, 呈現出較好的導電特性。

（2） 絕緣體

高價元素(如惰性氣體)和高分子物質(如橡膠, 塑料)最外層電子受原子核的束縛力很強, 極不易擺脫原子核的束縛成為自由電子, 所以其導電性極差, 可作為絕緣材料。

（3） 半導體

半導體的最外層電子數一般為4個，既不像導體那樣極易擺脫原子核的束縛, 成為自由電子, 也不像絕緣體那樣被原子核束縛得那么緊, 因此, 半導體的導電特性介于二者之間。常用的半導體材料有硅、鍺、硒等。

半導體的獨特性能

金屬導體的電導率一般在105s/cm量級；塑料、云母等絕緣體的電導率通常是10-22~10-14s/cm量級；半導體的電導率則在10-9~102s/cm量級。

半導體的導電能力雖然介于導體和絕緣體之間，但半導體的應用卻極其廣泛，這是由半導體的獨特性能決定的：

光敏性——半導體受光照后，其導電能力大大增強

熱敏性——受溫度的影響，半導體導電能力變化很大；

摻雜性——在半導體中摻入少量特殊雜質，其導電能力極大地增強；

半導體材料的獨特性能是由其內部的導電機理所決定的。

本征半導體

純凈晶體結構的半導體稱為本征半導體。常用的半導體材料是硅和鍺, 它們都是四價元素, 在原子結構中最外層軌道上有四個價電子。

為便于討論, 采用圖所示的簡化原子結構模型。

把硅或鍺材料拉制成單晶體時, 相鄰兩個原子的一對最外層電子(價電子)成為共有電子, 它們一方面圍繞自身的原子核運動, 另一方面又出現在相鄰原子所屬的軌道上。即價電子不僅受到自身原子核的作用, 同時還受到相鄰原子核的吸引。

于是, 兩個相鄰的原子共有一對價電子, 組成共價鍵結構。故晶體中, 每個原子都和周圍的４個原子用共價鍵的形式互相緊密地聯系起來。

從共價鍵晶格結構來看，每個原子外層都具有8個價電子。但價電子是相鄰原子共用，所以穩定性并不能象絕緣體那樣好。

受光照或溫度上升影響，共價鍵中價電子的熱運動加劇，一些價電子會掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子。

游離走的價電子原位上留下一個不能移動的空位，叫空穴。

由于熱激發而在晶體中出現電子空穴對的現象稱為本征激發。

本征激發的結果，造成了半導體內部自由電子載流子運動的產生，由此本征半導體的電中性被破壞，使失掉電子的原子變成帶正電荷的離子。

由于共價鍵是定域的，這些帶正電的離子不會移動，即不能參與導電，成為晶體中固定不動的帶正電離子。

受光照或溫度上升影響，共價鍵中其它一些價電子直接跳進空穴，使失電子的原子重新恢復電中性。價電子填補空穴的現象稱為復合。

參與復合的價電子又會留下一個新的空位，而這個新的空穴仍會被鄰近共價鍵中跳出來的價電子填補上，這種價電子填補空穴的復合運動使本征半導體中又形成一種不同于本征激發下的電荷遷移，為區別于本征激發下自由電子。

載流子的運動，我們把價電子填補空穴的復合運動稱為空穴載流子運動。

自由電子載流子運動可以形容為沒有座位人的移動；空穴載流子運動則可形容為有座位的人依次向前挪動座位的運動。半導體內部的這兩種運動總是共存的，且在一定溫度下達到動態平衡。

半導體的導電機理：

半導體的導電機理與金屬導體導電機理有本質上的區別：

金屬導體中只有自由電子一種載流子參與導電；而半導體中則是本征激發下的自由電子和復合運動形成的空穴兩種載流子同時參與導電。兩種載流子電量相等、符號相反，即自由電子載流子和空穴載流子的運動方向相反。

結論：

1. 本征半導體中電子空穴成對出現，且數量少

2. 半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電

3. 本征半導體導電能力弱，并與溫度有關。

4.雜質半導體

1. 本征半導體

根據物體導電能力(電阻率)的不同劃分為導體、絕緣體和半導體。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。

本征半導體是—種化學成分純凈、結構完整的半導體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為"九個9"。它在物理結構上呈單晶體形態。

(1) 本征半導體的熱敏性、光敏性和摻雜性

① 熱敏性、光敏性—本質半導體在溫度升高或光照情況下，導電率明顯提高。

② 摻雜性—在本征半導體中摻入某種特定的雜質，成為雜質半導體后，其導電率會明顯的發生改變。

(2) 電子空穴對

在絕對溫度0K時，半導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，將有少數電子能掙脫原子核的束縛而成為自由電子，流下的空位稱為空穴，這一現象稱為本征激發(也稱熱激發)。在本征半導體中自由電子和空穴是同時成對出現的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復合。本征激發和復合在一定溫度下會達到動態平衡。自由電子和空穴在半導體中都是導電粒子，稱它們為載流子。

2. N型半導體和P型半導體

(1) N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，可形成N型半導體,也稱電子型半導體。因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導體中自由電子是多數載流子(多子),它主要由雜質原子提供;空穴是少數載流子(少子), 由熱激發形成。

(2)P型半導體

在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導體，也稱為空穴型半導體。因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一空穴。P型半導體中空穴是多數載流子，主要由摻雜形成;電子是少數載流子，由熱激發形成。

根據物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。

半導體的電阻率為10-3～10-9 ??cm。

典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。

本征半導體及其導電性

本征半導體——化學成分純凈的半導體。

制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結構上呈單晶體形態。

(1) 本征半導體的共價鍵結構

硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結構的立體和平面示意圖見圖。

(a) 硅晶體的空間排列 (b) 共價鍵結構平面示意圖

(2) 電子空穴對

當導體處于熱力學溫度0 K時，導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。這一現象稱為本征激發(也稱熱激發)。

自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現正電性的這個空位為空穴。可見因熱激發而出現的自由電子和空穴是同時成對出現的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復合，如圖所示。本征激發和復合在一定溫度下會達到動態平衡。

圖：本征激發和復合的過程

(3) 空穴的移動

自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現的。

空穴在晶格中的移動(動畫1-2)

雜質半導體

在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。

(1) N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，可形成N型半導體,也稱電子型半導體。

因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導體中自由電子是多數載流子,它主要由雜質原子提供;空穴是少數載流子, 由熱激發形成。

提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。N型半導體的結構示意圖所示。

圖：N型半導體的結構示意圖

(2) P型半導體

在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導體，也稱為空穴型半導體。

因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一空穴。P型半導體中空穴是多數載流子，主要由摻雜形成;電子是少數載流子，由熱激發形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。P型半導體的結構示意圖。

圖01.05 P型半導體的結構示意圖

雜質對半導體導電性的影響

摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數據如下:

T=300K 室溫下,本征硅的電子和空穴濃度為:

n = p =1.4×1010/cm3

本征硅的原子濃度: 4.96×1022 /cm3

摻雜后，N 型半導體中的自由電子濃度為：n=5×1016 /cm3

在本征半導體中，有選擇地摻入少量其它元素，會使其導電性能發生顯著變化。這些少量元素統稱為雜質。摻入雜質的半導體稱為雜質半導體。根據摻入的雜質不同，有N型半導體和P型半導體兩種。

（1）Ｎ型半導體

在本征半導體中, 摻入微量５價元素, 如磷、銻、砷等, 則原來晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質原子代替。由于雜質原子的最外層有５個價電子, 因此它與周圍４個硅(鍺)原子組成共價鍵時, 還多余 1 個價電子。它不受共價鍵的束縛, 而只受自身原子核的束縛, 因此, 它只要得到較少的能量就能成為自由電子, 并留下帶正電的雜質離子, 它不能參與導電。

顯然, 這種雜質半導體中電子濃度遠遠大于空穴的濃度, 即nn>>pn(下標ｎ表示是Ｎ型半導體), 主要靠電子導電, 所以稱為Ｎ型半導體。由于５價雜質原子可提供自由電子, 故稱為施主雜質。Ｎ型半導體中, 自由電子稱為多數載流子；空穴稱為少數載流子。

（2）P型半導體

在本征硅(或鍺)中摻入少量的三價元素，如硼、鋁、銦等，就得到P型半導體。這時雜質原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三個價電子和相鄰的四個硅原子組成共價鍵時，只有三個共價鍵是完整的，第四個共價鍵因缺少一個價電子而出現一個空位。

（3）P 型、N 型半導體的簡化圖示

圖示為P 型、N 型半導體的簡化圖

N型半導體：自由電子稱為多數載流子；空穴稱為少數載流子，載流子數 電子數

P型半導體：空穴稱為多數載流子；自由電子稱為少數載流子，載流子數 空穴數

PN結

（1）PN 結的形成

1） 載流子的濃度差引起多子的擴散

在一塊完整的晶片上,通過一定的摻雜工藝,一邊形成P型半導體,另一邊形成N型半導體。P型半導體和N型半導體有機地結合在一起時，因為P區一側空穴多，N區一側電子多，所以在它們的界面處存在空穴和電子的濃度差。于是P區中的空穴會向N區擴散，并在N區被電子復合。而N區中的電子也會向P區擴散，并在P區被空穴復合。這樣在P區和N區分別留下了不能移動的受主負離子和施主正離子。上述過程如圖(a)所示。結果在界面的兩側形成了由等量正、負離子組成的空間電荷區，如圖(b)所示。

2）復合使交界面形成空間電荷區（耗盡層）

空間電荷區的特點：無載流子，阻止擴散進行，利于少子的漂移。

3）擴散和漂移達到動態平衡

擴散電流等于漂移電流，總電流 I= 0。

（2） PN結的單向導電特性

在PN結兩端外加電壓,稱為給PN結以偏置電壓。

1） PN結正向偏置

給PN結加正向偏置電壓,即P區接電源正極,N區接電源負極,此時稱PN結為正向偏置(簡稱正偏)。由于外加電源產生的外電場的方向與PN結產生的內電場方向相反,削弱了內電場,使PN結變薄,有利于兩區多數載流子向對方擴散,形成正向電流,此時PN結處于正向導通狀態。

2．PN結反向偏置

給PN結加反向偏置電壓,即N區接電源正極,P區接電源負極,稱PN結反向偏置(簡稱反偏)。

由于外加電場與內電場的方向一致,因而加強了內電場,使PN結加寬,阻礙了多子的擴散運動。在外電場的作用下,只有少數載流子形成的很微弱的電流,稱為反向電流。

注：少數載流子是由于熱激發產生的,因而PN結的反向電流受溫度影響很大。

結論：PN結具有單向導電性,即加正向電壓時導通,加反向電壓時截止。

PN結的擊穿特性

當加于PN結的反向電壓增大到一定值時，反向電流會急劇增大，這種現象稱為PN結擊穿。PN結發生反向擊穿的機理可以分為兩種。

1)雪崩擊穿

在輕摻雜的PN結中，當外加反向電壓時，耗盡區較寬，少子漂移通過耗盡區時被加速，動能增大。當反向電壓大到一定值時，在耗盡區內被加速而獲得高能的少子，會與中性原子的價電子相碰撞，將其撞出共價鍵，產生電子、空穴對。新產生的電子、空穴被強電場加速后，又會撞出新的電子、空穴對。

2)齊納擊穿

在重摻雜的PN結中，耗盡區很窄，所以不大的反向電壓就能在耗盡區內形成很強的電場。當反向電壓大到一定值時，強電場足以將耗盡區內中性原子的價電子直接拉出共價鍵，產生大量電子、空穴對，使反向電流急劇增大。這種擊穿稱為齊納擊穿或場致擊穿。一般來說，對硅材料的PN結，UBR>7V時為雪崩擊穿；UBR <5V時為齊納擊穿；UBR介于5~7V時，兩種擊穿都有。

編輯：jq