半导体的导电性

1、本征半导体

本征半导体就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。

用得最多的半导体是硅和锗。将硅和锗材料提纯并形成单晶体后，所有原子便基本上排列整齐，其平面图如图9.1所示。它们都是四价元素，原子外层有四个价电子。每一个原子与相邻的四个原子结合，每个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成共价键结构。在获得一定量(热、光等)后，少量价电子即可挣脱原子核的束缚而形成为自由电子。同时在共价键中就留下一个空位，称为空穴。

在外电场的作用下，自由电子做定向移动，形成电子电流。带正电的空穴吸引相邻原子中的价电子来填补，而在该原子的共价键中产生另一个空穴。空穴被填补和相继产生的现象，可以理解为空穴在移动，形成空穴电流。因此，在半导体中同时存在着电子导电和空穴导电。自由电子和空穴都称为载流子。在本征半导体中自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合。

2、N型半导体和P型半导体

图1 本征半导体中自由电子和空穴的形成	图2 硅晶体中掺磷出现自由电子

本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，导电能力仍然很低。如果在其中掺入微量的杂质(某种元素)，这将使掺杂后的半导体(杂质半导体)的导电性能大大增强。

图3 硅晶体中掺硼出现空穴

例如在硅晶体中掺入五价元素磷。当一个硅原子被磷原子取代时，磷原子的5个价电子中只有4个用于组成共价键，多余的一个很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子，如图2所示。由于自由电子的大量增加，电子导电成为这种半导体的主要导电方式，故称为N型半导体，其中自由电子是多数载流子，而空穴则是少数载流子。

又如在硅晶体中掺入三价元素硼。每个硼原子只有3个价电子，故在组成共价键时将因缺少一个电子而产生一个空位。相邻硅原子的价电子就有可能填补这个空位，而在该原子中便产生一个空穴，如图3所示。每个硼原子都能提供一个空穴，于是空穴大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，故称它为P型半导体，其中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

3、PN结及其单向导电性

通常在一块N型(或P型)半导体的局部在掺入浓度较大的三价(五价)杂质，使其变为P型(或N型)半导体。在P型半导体和N型半导体的交界面就形成一个特殊的薄层，称为PN结。

当在PN结上加正向电压，即电源正极接P区，负极接N区时[图4(a)]，P区的多数载流子空穴和N区的多数载流子自由电子在电场的作用下通过PN结进入对方，两者形成较大的正向电流。此时PN结呈现低电阻，处于导通状态。

当在PN结加上反向电压时[图4(b)]，P区和N区的多数载流子受阻难于通过PN结。但P区的少数载流子自由电子和N区的少数载流子空穴在电场的作用下却能通过PN结进入对方，形成反向电流。由于少数载流子的数量很少，因此反向电流极小。此时PN结呈现高电阻，处于截止状态。

(a)加正向电压	(b)加反向电压
图4PN结的单向导电性