半导体的一般概念

　　在实践中，我们知道铜线是导电的，而铜线外面包裹着一层塑料或橡皮是不导电的，可见物质的导电能力有很大不同。
　　在自然界中，存在着很多不同的物质，用其导电能力来衡量，可以分为三类： 一类是导电能力较强的物质叫导体，金属一般都是导体，如： 银、铜、铝等；另一类是几乎不能导电的物质叫绝缘体，如橡皮、塑料、陶瓷等。此外，还有一些物质，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，我们称它们为半导体，如锗、硅、硒、砷化镓及一些金属的氧化物或硫化物等。顺便指出，现在使用的半导体材料大多数要制成晶体，因而把用半导体材料制作的晶体二极管、晶体三极管通称晶体管。
　　在金属导体中，原子核对价电子的束缚很弱，有大量的价电子能挣脱原子核的束缚成为自由电子，它们在外电场的作用下作定向运动形成电流，所以金属导体的导电性能良好。在金属导体内仅有一种载流子，即自由电子。必须注意，电流的方向与电子运动方向相反。
　　在绝缘体中，原子核对价电子的束缚很强，价电子不容易挣脱原子核的束缚成为自由电子，因此绝缘体的导电性能很差。
　　在半导体中，原子结构比较特殊，原子核对价电子的束缚比导体强，比绝缘体弱。因此半导体既非良导体，又非绝缘体。那么半导体为什么会引起人们很大的兴趣呢?原因并不在于它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而在于它具有独特的性质。人们发现，当半导体受到外界光和热的激发，它的导电能力会产生较大的变化。更为突出的是，在纯净的半导体中掺入微量杂质元素，半导体的导电性能就会大大增强，这些特点说明半导体的导电原理不同于其他物质。下面我们就从半导体内部的导电规律说起。
　　目前常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge），它们都是四价元素，图1表示硅单晶体的结构示意图。图中相邻的两个原子由一对共有电子形成共价键，当温度低到绝对零度。

图1 硅单晶结构示意图

　　和没有外界光或热散发时，处于共价键中的电子是一种束缚电子，不能自由移动，其特性相当于绝缘体，不能导电。但是，这种束缚并不是很牢固的，在常温下，会有少数价电子受热或光照激发获得足够能量，挣脱束缚成为自由电子。没有外电场时，这些电子的移动是无规则的。有外电场时，这些电子就逆着电场方向定向移动形成电流，这叫做电子导电。
　　当一个价电子挣脱了束缚成为自由电子后，同时在原来的位置上就留下一个空位，这个空位称为空穴。空穴的出现是半导体区别于其他导体的一个重要特点。
　　自由电子是带负电的粒子，空穴可看作是带正电的粒子，它们都是载流子。电路中电流由两部分组成，在外电场作用下，自由电子的移动和空穴的移动方向相反，但形成的电流方向相同。