導(dǎo)體,、絕緣體和半導(dǎo)體

自然界的各種物質(zhì)就其導(dǎo)電性能來說,、可以分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三大類,。

導(dǎo)體具有良好的導(dǎo)電特性,，常溫下，其內(nèi)部存在著大量的自由電子,，它們在外電場的作用下做定向運(yùn)動形成較大的電流,。因而導(dǎo)體的電阻率很小，只有 金屬一般為導(dǎo)體,，如銅、鋁,、銀等,。

絕緣體幾乎不導(dǎo)電，如橡膠,、陶瓷,、塑料等。在這類材料中,，幾乎沒有自由電子,，即使受外電場作用也不會形成電流，所以,，絕緣體的電阻率很大,，在 以上。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間,，如硅,、鍺、硒等,，它們的電阻率通常在 之間,。半導(dǎo)體之所以得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樗膶?dǎo)電能力受摻雜,、溫度和光照的影響十分顯著,。如純凈的半導(dǎo)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(zhì)(如磷)后，其電阻率急劇下降為 ,，幾乎降低了一百萬倍,。半導(dǎo)體具有這種性能的根本原因在于半導(dǎo)體原子結(jié)構(gòu)的特殊性。

本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

常用的半導(dǎo)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(guī)則整齊地排列著的晶體。非常純凈的單晶半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體,。

一,、本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體鍺和硅都是四價(jià)元素，其原子結(jié)構(gòu)示意圖如圖Z0102所示,。它們的最外層都有4個(gè)電子,，帶4個(gè)單位負(fù)電荷。通常把原子核和內(nèi)層電子看作一個(gè)整體,，稱為慣性核,，如圖Z0101所示。

慣性核帶有4個(gè)單位正電荷,，最外層有4個(gè)價(jià)電子帶有4個(gè)單位負(fù)電荷,，因此，整個(gè)原子為電中性,。

二,、本征激發(fā)

一般來說，共價(jià)鍵中的價(jià)電子不完全象絕緣體中價(jià)電子所受束縛那樣強(qiáng),，如果能從外界獲得一定的能量（如光照,、升溫、電磁場激發(fā)等）,，一些價(jià)電子就可能掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子,。

理論和實(shí)驗(yàn)表明：在常溫（T＝300K）下，硅共價(jià)鍵中的價(jià)電子只要獲得大于電離能EG（= 1.1eV）的能量便可激發(fā)成為自由電子,。本征鍺的電離能更小,，只有0.72 eV。

當(dāng)共價(jià)鍵中的一個(gè)價(jià)電子受激發(fā)掙脫原子核的束縛成為自由電子的同時(shí),，在共價(jià)鍵中便留下了一個(gè)空位子,，稱為"空穴"。當(dāng)空穴出現(xiàn)時(shí),，相鄰原子的價(jià)電子比較容易離開它所在的共價(jià)鍵而填補(bǔ)到這個(gè)空穴中來使該價(jià)電子原來所在共價(jià)鍵中出現(xiàn)一個(gè)新的空穴,，這個(gè)空穴又可能被相鄰原子的價(jià)電子填補(bǔ)，再出現(xiàn)新的空穴,。價(jià)電子填補(bǔ)空穴的這種運(yùn)動無論在形式上還是效果上都相當(dāng)于帶正電荷的空穴在運(yùn)動,，且運(yùn)動方向與價(jià)電子運(yùn)動方向相反。為了區(qū)別于自由電子的運(yùn)動，把這種運(yùn)動稱為空穴運(yùn)動,，并把空穴看成是一種帶正點(diǎn)荷的載流子,。

電子一空穴對

本征激發(fā)

復(fù)合：當(dāng)自由電子在運(yùn)動過程中遇到空穴時(shí)可能會填充進(jìn)去從而恢復(fù)

一個(gè)共價(jià)鍵，與此同時(shí)消失一個(gè)"電子一空穴"對,，這一相反過程稱為復(fù)合,。

動態(tài)平衡：在一定溫度條件下，產(chǎn)生的"電子一空穴對"和復(fù)合的"電子一空穴對"數(shù)量相等時(shí),，形成相對平衡,，這種相對平衡屬于動態(tài)平衡，達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)"電子一空穴對"維持一定的數(shù)目,。

可見,，在半導(dǎo)體中存在著自由電子和空穴兩種載流子，而金屬導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子,，這也是半導(dǎo)體與導(dǎo)體導(dǎo)電方式的不同之處,。

雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，熱穩(wěn)定性也很差,，因此,，不宜直接用它制造半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體器件多數(shù)是用含有一定數(shù)量的某種雜質(zhì)的半導(dǎo)體制成,。根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同,，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體兩種。

一,、N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體硅（或鍺）中摻入微量的5價(jià)元素，例如磷,，則磷原子就取代了硅晶體中少量的硅原子,，占據(jù)晶格上的某些位置。如圖Z0103所示,。

由圖可見,，磷原子最外層有5個(gè)價(jià)電子，其中4個(gè)價(jià)電子分別與鄰近4個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),，多余的1個(gè)價(jià)電子在共價(jià)鍵之外,，只受到磷原子對它微弱的束縛，因此在室溫下,，即可獲得掙脫束縛所需要的能量而成為自由電子,，游離于晶格之間。失去電子的磷原子則成為不能移動的正離子,。磷原子由于可以釋放1個(gè)電子而被稱為施主原子,，又稱施主雜質(zhì)。

在本征半導(dǎo)體中每摻入1個(gè)磷原子就可產(chǎn)生1個(gè)自由電子，而本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴的數(shù)目不變,。這樣,，在摻入磷的半導(dǎo)體中，自由電子的數(shù)目就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了空穴數(shù)目,，成為多數(shù)載流子（簡稱多子）,，空穴則為少數(shù)載流子（簡稱少子）。顯然,，參與導(dǎo)電的主要是電子,，故這種半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體，簡稱N型半導(dǎo)體,。

二,、P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體硅（或鍺）中，若摻入微量的3價(jià)元素,，如硼,，這時(shí)硼原子就取代了晶體中的少量硅原子，占據(jù)晶格上的某些位置,，如圖Z0104所示,。由圖可知，硼原子的3個(gè)價(jià)電子分別與其鄰近的3個(gè)硅原子中的3個(gè)價(jià)電子組成完整的共價(jià)鍵,，而與其相鄰的另1個(gè)硅原子的共價(jià)鍵中則缺少1個(gè)電子,，出現(xiàn)了1個(gè)空穴。這個(gè)空穴被附近硅原子中的價(jià)電子來填充后,，使3價(jià)的硼原子獲得了1個(gè)電子而變成負(fù)離子,。同時(shí)，鄰近共價(jià)鍵上出現(xiàn)1個(gè)空穴,。由于硼原子起著接受電子的作用,，故稱為受主原子，又稱受主雜質(zhì),。

在本征半導(dǎo)體中每摻入1個(gè)硼原子就可以提供1個(gè)空穴,，當(dāng)摻入一定數(shù)量的硼原子時(shí)，就可以使半導(dǎo)體中空穴的數(shù)目遠(yuǎn)大于本征激發(fā)電子的數(shù)目,，成為多數(shù)載流于,，而電子則成為少數(shù)載流子。顯然,，參與導(dǎo)電的主要是空穴,，故這種半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體，簡稱P型半導(dǎo)體,。