原子中最外层的电子成为价电子，常用的半导体为硅和锗，它们的结构如下图(a)(b).为了简化,常常把内层电子和原子核看作一个整体，称为惯性核,惯性核的周围是价电子,如(c).

一、本征半导体介绍

• 共价键：硅和锗都是晶体，它们的原子都是有规则地排列着，并通过由价电子组成的共价键把相邻的原子牢固地联系在一起。
• 本征半导体：整块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶。硅和锗的单晶称为本征半导体.

二、本征激发和复合

• 自由电子:共价键中的价电子从外界获得足够的能量，从而挣脱共价键的束缚，离开原子而成为自由电子
• 空穴:电子离开后留下的空位，而且产生这样子的情况：出来的自由电子填补到其他的空位上，与带正电荷的粒子作反方向运动的效果相同，因此，可以把空位看作带正电荷的载流子
• 本征激发 :上面的这种现象（==共价键中==留下空位）称为本征激发.

换句话说，半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的物质。本征激发产生的两种载流子总是成对出现的。

- 复合 :自由电子-空穴对产生过程中还同时存在着复合过程，这就是自由电子在热骚动过程中和空穴相遇而释放能量，造成自由电子-空穴对消失的过程。

三、热平衡载流子浓度

由此可知n~i~与温度有关

注意：

• 在室温（T=300 K）时，必须指出ni的数值看起来大，但它仅占原子密度的万亿分之一。可见，本征半导体的导电能力是很低的。
• 所以为了增加导电能力制作了杂质半导体

杂质半导体

• 杂质半导体:
• 在本征半导体中，参人一定量的杂质元素，就成为杂质半导体.
• 按照掺入的杂质为五价(磷、锑或砷等)和三价(硼、镓、铟或铝)元素分为N型(电子型)半导体或P型(空穴型)半导体
• 加入的非常少(千万分之一),但是均匀
• 多子：占有多数的载流子
• 少子：占有少数的载流子

一、N型半导体

• 定义： 本征半导体中掺入少量五价元素(磷\锑\砷等)^施主杂质构成
• 构成： 五价的元素有四个被共价键绑住了,多出来一个容易成为自由电子
• 与本征激发浓度相比，N型半导体中自由电子浓度大大增加了. 而空穴因与自由电子相遇而复合的机会增大，其浓度反而更小了。 所以在N型半导体中:
• - 自由电子为多数载流子，是多子
• - 空穴为少数载流子，是少子^补充1
• - 并将五价元素称为施主杂质，它是受晶格束缚的正离子。
  
  

二、P型半导体

• 本征半导体中掺入少量三价元素(硼\镓\铟等)^受主杂质构成
• 构成： 三价元素少一个电子位置和四价元素绑定,多出来一个空穴
• 所以在P型半导体中:
• - 空穴为多数载流子，是多子
• - 自由电子为少数载流子，是少子
• - 并将三价元素称为受主杂质
  
  

三、多子和少子的热平衡

不论是P还是N型的半导体，掺杂越多，多子数目就会越多，少子就会越少，（可以根据这个^补充1）它们之间有个关系。

又因为Nd>>p0N_d>>p_0 所以一般写为: n0≈Nd

• 总结:
• 正电荷量=负电荷量$
• 型N型:n0=Nd+p0≈Nd Nd>>p0
• 型P型:p0=Na+n0≈Na Na>>p0

例题计算

一、室温掺入杂质各个浓度计算

二、高温下的各个浓度计算

• 可见，在一定温度范围内，杂质半导体中多子浓度主要取决于掺杂浓度，其值几乎与温度无关，
• 而少子浓度却随温度升高而显著增大。当温度升高到一定程度，n~i~与N~d~接近时，实际的p~0~=n~0~，参杂半导体又回复为本征半导体。
  以后将会看到，少子浓度的温度敏感特性是导致半导体器件温度特性差的主要原因

三、施主受体混合计算

• 可见，掺人不同性质的杂质，就可改变杂质半导体的导电类型
• 这个过程称为杂质补偿，它是制造PN结的一种主要方法。

结论

• 1.掺杂后：多子>>少子；载流子显著增加，导电能力增强
• 2.多子浓度近似等于掺杂浓度，与温度无关，少子浓度随温度升高显著增加。
• 3.当温度升高，杂质半导体会变成本征半导体。
• 4.掺入不同的杂质元素，能改变杂质半导体的导电类型，这是制造PN结的一种主要方法。