本征半导体

材料

　　常用的半导体材料是单晶硅(Si)和单晶锗(Ge) .所谓单晶,是指整块晶体中的原子按一定规则整 齐地排列着的晶体.非常纯净的单晶半导体称为本征半导体. 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%,常称为"九个 9".它在物理结构上呈 单晶体形态.

导电特性

　　(1)本征半导体的共价键结构

　　硅和锗是四价元素,在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子.它们分别与周围的四个原子的价 电子形成共价键.共价键中的价电子为这些原子所共有,并为它们所束缚,在空间形成排列有序的晶体. 通常把原子核和内层电子看作一个整体,称为惯性核.惯性核带有 4 个单位正电荷,最外层有 4 个价电 子带有 4 个单位负电荷,因此,整个原子为电中性.这种结构的立体和平面示意图见图 1.

　　(2) 电子空穴对

　　一般来说,共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强,如果能从外界获得一定的 能量(如光照,升温,电磁场激发等) ,一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子.这一现象 称为本征激发(也称热激发) .

　　理论和实验表明:在常温(T=300K)下,硅共价键中的价电子只要获得大于电离能EG(=1.1eV) 的能量便可激发成为自由电子.本征锗的电离能更小,只有 0.72eV.

　　当共价键中的一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时,在共价键中便留下了一个 空位子,称为"空穴".当空穴出现时,相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴 中来使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴,这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补,再出 现新的空穴.价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动,且 运动方向与价电子运动方向相反.为了区别于自由电子的运动,把这种运动称为空穴运动,并把空穴看 成是一种带正点荷的载流子.

　　当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键,与此同时消失一个"电子 一空穴"对,这一相反过程称为"复合",如图 2 所示.在一定温度条件下,产生的"电子一空穴对"和复合 的"电子一空穴对"数量相等时,形成相对平衡,这种相对平衡属于动态平衡,达到动态平衡时"电子一空 穴对"维持一定的数目.

　　可见,在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子,而金属导体中只有自由电子一种载流子,这 也是半导体与导体导电方式的不同之处.

　　(3) 空穴的移动

　　自由电子的定向运动形成了电子电流,空穴的定向运动也可形成空穴电流,它们的方向相反.只不 过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的.

特点

　　在零度温度下，半导体的价带是满带（见能带理论），受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴，导带中的电子和价带中的空穴合称为电子－空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子－空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，使电子－空穴对消失，称为复合。复合时产生的能量以电磁辐射或晶格热振动的形式释放。在一定温度下，电子－空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时本征半导体具有一定的载流子浓度，从而具有一定的电导率。加热或光照会使半导体发生热激发或光激发，从而产生更多的电子－空穴对，这时载流子浓度增加，电导率增加。半导体热敏电阻和光敏电阻等半导体器件就是根据此原理制成的。常温下本征半导体的电导率较小，载流子浓度对温度变化敏感，所以很难对半导体特性进行控制，因此实际应用不多。