深入了解半导体：概述及应用解析

根据导电能力的不同，自然界的物质可分为3类：导体、绝缘体和半导体。大多数半导体器件是由硅（Si）和锗（Ge）材料制成的，把完全纯净、具有单晶结构的半导体称为本征半导体，如单晶硅。本征半导体的内部原子的排列呈现晶体结构。因为制造半导体器件的材料都是晶体，所以半导体管也称为晶体管。

常见的半导体材料硅和锗都是四价元素，最外层电子既不像导体那样容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚得很紧，因此其导电性能介于导体和绝缘体之间。

为了让半导体的导电性可控，常常将特定的杂质元素掺入半导体。利用杂质半导体的导电性能随光照、加热等发生变化的特殊性质，可制成各种电子器件，如热敏元件和光敏元件等。

图8 - 1所示为硅的晶体结构和原子结构示意。晶体中的原子在空间排列成整齐有序的点阵，每个原子的最外层电子（价电子）围绕自身所属的原子核运动，同时围绕相邻原子的原子核运动，形成共价键。

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图8-1　硅的晶体结构和原子结构示意

在室温下，价电子很难摆脱原子核的束缚；但当有光照、加热作用时，有少数价电子在获得一定的外界能量后可摆脱原子核的束缚变为自由电子，并在原来的共价键位置上留下一个带正电的空位，称为空穴。

如果在纯净半导体两端外加一个电场，一方面自由电子将在电场的作用下产生定向移动，形成电子电流；另一方面由于空穴的存在，自由电子在移动的过程中会按一定的方向填补空穴，这可看作空穴也产生定向移动，其移动方向与电子的移动方向相反，空穴的移动会形成空穴电流。本征半导体中的电流是两个电流之和，但是电流很小。

通常把运载电荷的粒子称为载流子，故本征半导体中有自由电子和空穴两种载流子，两种载流子均参与导电。