半导体材料的导电特性及应用

元素硅和锗以及化学化合物，如砷化镓或锑化铟，都可作半导体材料（表9-1）。

表9-1 半导体材料

半导体材料应非常纯。其制做纯度可达到10¹⁰个原子中仅有一个是外来原子。

在极低温度时，半导体材料为非导体。半导体材料的导电性因掺进杂质或受到如光辐射以及电、磁场的外部影响会发生很大变化。半导体材料可用于制作电子元器件（见提要）。

提要：电子元器件（摘选）

•二极管。

•热敏电阻。

•双极绝缘层晶体管。

•冷导体。

•晶体管。

•三端双向晶闸管。

•压敏电阻。

•Z二极管。

半导体材料的电阻率介于导体（金属）与非导体之间。

原子结构。半导体原子形成晶格结构。一个硅原子的原子核有14个质子和14个中子。硅原子的最外层有4个价电子，即硅原子为4价原子。每个电子都绕着自己的原子核和相邻的原子核旋转。

本征导电。在室温时，晶体中的原子绕其静止位置来回无序振动（热运动），因此破坏了一些原子键合，个别的最外层的电子离开其原子而在晶体内自由运动（导电电子）。如图9-1所示，给半导体晶体施加电压而产生电场，自由电子便从负极流向正极。

在价电子变成自由电子的同时，便在其原子键中留下一个称为空穴的空位。献出电子的空穴同样能传导电流。相邻键的价电子便来填充此空穴，因此这个位置上又形成一个空穴。空穴如此出现与填充，如图9-2所示，于是在整个晶体中便出现空穴从正极向负极的移动。

图9-1 半导体中的导电电子

图9-2 半导体中的空穴导电

杂质导电。在纯的半导体材料中掺入极微量的杂质，如把一个硼原子掺进10⁵个硅原子中，其导电能力可提高几千倍（见提要）。

ⓘ提要：掺杂(www.xing528.com)

对于元素硅，可掺杂低价原子，如三价原子，或掺杂高价原子，如五价原子。

N型半导体。硅可掺杂五价原子（如磷、砷）。如图9-3a所示，在构成共价键结构时只需要四价的磷原子。剩余的第五个价电子在原子热运动时成为自由运动的导电电子并留下一个带正电的磷离子。掺杂了五价原子的晶体称为N型半导体。

P型半导体。硅可以掺杂三价原子（如铝）。如图9-3b所示，在构成一个完整的共价键时缺少一个电子，为了补充此电子而留下一个正极性的穴（空穴），因此，铝原子成为一个负离子。掺杂了三价原子的硅晶体称为P型半导体。

通过掺杂而形成P型半导体和N型半导体呈电中性。

图9-3 N型半导体与P型半导体

掺杂半导体的导电能力提高的程度，对于N型半导体取决于其是否给出多余的电子，而对于P型半导体取决于是否能接收邻近原子的电子。

杂质的导电性与温度的关系不大。

ⓘ半导体技术中的专业概念

P型半导体：掺杂三价原子，空穴为载流子。

N型半导体：掺杂五价原子，电子为载流子。

扩散：N型半导体的电子进入到P型半导体中，P型半导体的空穴进入到N型半导体中。

复合：载流子的结合，如电子与空穴的结合。

扩散电压：未施加外部电压时的一个PN结的空间电荷区的电压降。硅为U_Diff=0.7V；锗为U_Diff=0.3V。

PN结。如图9-4所示，把一个P型半导体与一个N型半导体结合在一起，于是在两个半导体的接触面处便形成了PN结。

在N型半导体与P型导体的界面上未施加电压，只是由于电子的热运动使电子从N型半导体进入P型半导体并与P型半导体中的空穴结合。P型半导体中的空穴扩散到N型半导体中，并在N型半导体中与电子结合。在界面的两侧，半导体晶体缺少自由载流子，界层如同一个绝缘体并形成一个阻挡层。

在半导体的PN结处形成了一个绝缘层。

由就地结合离子的影响，在界层中缺少导电电子和空穴：N界区为正电荷，P界区为负电荷。这些空间电荷区终止了继续扩散：负的P界层收回扩散了的空穴，而正的N界层收回带入的电子。在约1μm厚的界层中的电荷在PN结引起一个扩散电压U_Diff。如图9-5所示，给N型半导体和P型半导体施加一外电压，PN结便处于阻挡或导通。

PN结的作用如同一个电容器。阻挡层具有电容（阻挡电容）。

图9-4 PN的形成原理

图9-5 施加电压时的PN结