半导体的导电性

时间:2023-03-11来源:佚名

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

半导体的导电性 半导体的导电性
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。

半导体的导电性

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。

半导体的导电性 半导体的导电性
(a)加正向电压 (b)加反向电压

图4PN结的单向导电性

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