本征半导体,基础材料之选,了解它,掌握电子世界的关键!

2024-04-07

纯净的具有单晶体结构的半导体称为本征半导体,它不含任何杂质,且原子在内部按一定规律整齐地排列成晶体结构。以硅为例,将纯净的硅材料经过一定的工艺过程制成硅单晶后,即为本征半导体。硅原子在空间排列成整齐的点阵,称为晶格,位于晶格上的硅原子是不能移动的。每个硅原子的最外层都有四个价电子,与周围相邻的四个硅原子中的价电子共形成四个共用电子对,从而构成四个共价键。共价键具有很强的结合力,最终形成的晶体是一个四面体结构,如图1-1(a)所示,其他诸如锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等很多种半导体材料都具有与之相同的四面体结构。图1-1(b)为五个硅原子形成的共价键的二维结构示意图。

本征半导体,基础材料之选,了解它,掌握电子世界的关键! (https://ic.work/) 技术资料 第1张

 

常温下,仅有极少数的价电子由于热运动(热激发)获得足够的能量而挣脱共价键的束缚变为自由电子,与此同时在失去电子的共价键中留下一个空位置,称为空穴。原子因失掉一个价电子而带正电,也可以说空穴带正电。当一个具有一定热能的自由电子靠近某个空穴时,便会填补到该空穴中,如图1-2所示(实线箭头代表价电子的填补轨迹,虚线箭头代表空穴的运动轨迹),看起来就像是一个正电荷在半导体中随机移动一样。这样,若在本征半导体两端外加一电场,就有两种类型的电荷粒子能够产生电流,即带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。

 

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图本征半导体中的两种载流子

在电子学中,运载电荷的粒子称为载流子。因此,半导体中存在自由电子和空穴两种载流子,这是半导体导电的特殊性质。上述由热激发产生自由电子-空穴对的过程称为本征激发,本征激发中自由电子和空穴成对产生,两者数目相等。而当自由电子和空穴在运动中相遇时,自由电子又会填补空穴,两者同时消失,这种现象称为复合。当温度一定时,本征半导体中的激发和复合达到动态平衡,于是载流子的浓度保持恒定,且自由电子的浓度与空穴的浓度相等。如果温度升高,则热激发加剧,使得载流子浓度升高,导电能力增强;如果温度降低,则热激发减弱,使得载流子浓度下降,导电能力变差。

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