本征半导体的共价键结构及载流子浓度调控

1.半导体特性

根据物体导电能力的强弱可分为导体、半导体和绝缘体三大类。导体是容易导电的物质，比如：金、银、铜、铝、铁等金属物质；绝缘体是难于导电的物质，比如：玻璃、橡胶、塑料、陶瓷等绝缘物质；半导体是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）等。

半导体之所以被用来制造电子元器件主要还在于它的导电性有其独特之处。主要表现在以下三个方面。

1）热敏性：有些半导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。当环境温度变化时，其导电能力产生变化。利用这种特性，半导体可被做成各种热敏元件。

2）光敏性：光照可以增强半导体的导电能力。利用这种特性，半导体可被制成各种光敏器件。

3）掺杂性：在纯净半导体中，只要掺入极微量的杂质，导电能力就急剧增加。利用这种特性，半导体可被制成各种性能的半导体器件。

2.本征半导体的晶体结构

原子是由原子核和核外电子构成的，原子核含有带正电的质子和中性的中子。带负电的电子在核外按电子云的形态分布，处于不同层中的电子能量随着层半径的增加而增强，处于最外层的电子称为价电子。物质的化学性质由价电子数决定。

本征半导体是一种纯净的具有晶体结构的半导体。在温度T=0K时，价电子被束缚在所属的原子上而不能自由移动。所以，T=0K时，本征半导体是绝缘体，内部没有自由电子。

本征硅（锗）的原子按一定规律排列成紧密、整齐的晶体点阵结构。每个硅（锗）原子最外层的四个价电子与相邻的四个硅（锗）原子的各一个价电子形成四对“共价键”结构。从而使每个硅（锗）原子最外层形成了拥有八个共有电子的相对稳定的结构。由于每对价电子是每两个相邻原子共有的，因而将这种结构称为“共价键”结构，如图1-1所示。

3.本征激发(www.xing528.com)

当温度升高或受到外部激发能量时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子，这一现象称为本征激发。在自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，常称呈现正电性的这个空位为空穴。可见，因激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。

当某个共价键中出现一个空穴后，邻近的共价键内的价电子被吸引到这个空穴。当一个价电子填补空穴时，它原来的位置上又出现了新的空穴。如图1-2所示，如果在a处出现一个空穴，则b处的电子填补a处的空穴，从而使空穴由a→b。如果c处的电子再填补b处的空穴，则空位又由b→c。这种价电子依次填补空穴的运动，相当于空穴在晶体中运动。一般把空穴看作带正电的粒子。在外电场的作用下，自由电子作定向运动形成电子流，带正电的空穴作定向运动形成空穴流，所以自由电子和空穴都是能参与导电的粒子，称为载流子。

图1-1 共价键结构

图1-2 电子和空穴的移动

4.本征半导体中载流子浓度

一方面本征半导体受外界能量的激发而不断产生自由电子空穴对；另一方面，自由电子在无规则的热运动中与空穴相遇就会填补空穴，这样自由电子空穴对又会消失，这种现象称为复合。当温度一定时，由本征激发产生的自由电子空穴对与复合的自由电子空穴对数目相等，激发和复合达到动态平衡。此时，本征半导体中自由电子的浓度和空穴的浓度是相等的。

本征半导体的载流子浓度随着温度的升高按指数规律增加。理论分析和实验表明：对于硅材料的本征半导体，温度每升高8℃，硅的载流子浓度约增加1倍；对于锗材料的本征半导体，温度每升高12℃，锗的载流子浓度约增加1倍。所以，温度是影响半导体导电性能的主要因素。用n_i和p_i分别表示自由电子和空穴的浓度。在T=0K时，自由电子和空穴的浓度均为零；在T=300K时，硅材料的本征半导体载流子浓度n_i=p_i=1.43×10¹⁰/cm³，锗材料的本征半导体载流子浓度n_i=p_i=2.38×10¹³/cm³。