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，是因為它的導(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個電子，帶4個單位負(fù)電荷。通常把原子核和內(nèi)層電子看作一個整體，稱為慣性核，如圖Z0101所示。

慣性核帶有4個單位正電荷，最外層有4個價電子帶有4個單位負(fù)電荷，因此，整個原子為電中性。

二、本征激發(fā)

一般來說，共價鍵中的價電子不完全象絕緣體中價電子所受束縛那樣強，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），一些價電子就可能掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子。

理論和實驗表明：在常溫（T＝300K）下，硅共價鍵中的價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)共價鍵中的一個價電子受激發(fā)掙脫原子核的束縛成為自由電子的同時，在共價鍵中便留下了一個空位子，稱為"空穴"。當(dāng)空穴出現(xiàn)時，相鄰原子的價電子比較容易離開它所在的共價鍵而填補到這個空穴中來使該價電子原來所在共價鍵中出現(xiàn)一個新的空穴，這個空穴又可能被相鄰原子的價電子填補，再出現(xiàn)新的空穴。價電子填補空穴的這種運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動，且運動方向與價電子運動方向相反。為了區(qū)別于自由電子的運動，把這種運動稱為空穴運動，并把空穴看成是一種帶正點荷的載流子。

電子一空穴對

本征激發(fā)

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

一個共價鍵，與此同時消失一個"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，形成相對平衡，這種相對平衡屬于動態(tài)平衡，達到動態(tài)平衡時"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個價電子，其中4個價電子分別與鄰近4個硅原子形成共價鍵結(jié)構(gòu)，多余的1個價電子在共價鍵之外，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個磷原子就可產(chǎn)生1個自由電子，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)目就遠遠超過了空穴數(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價元素，如硼，這時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個價電子分別與其鄰近的3個硅原子中的3個價電子組成完整的共價鍵，而與其相鄰的另1個硅原子的共價鍵中則缺少1個電子，出現(xiàn)了1個空穴。這個空穴被附近硅原子中的價電子來填充后，使3價的硼原子獲得了1個電子而變成負(fù)離子。同時，鄰近共價鍵上出現(xiàn)1個空穴。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個硼原子就可以提供1個空穴，當(dāng)摻入一定數(shù)量的硼原子時，就可以使半導(dǎo)體中空穴的數(shù)目遠大于本征激發(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。