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半导体物理基础知识
一、 半导体导电特性
电子线路中的关键器件如二极管、三极管、场效应管、集成电路等都是由半导体材料制成的，要分析上述器件的工作原理，必须对半导体材料的导电特性应有所了解。
1、 什么是半导体
物质如按导电性能分可分为
（1） 导体： 电阻率ρ很小；
（2） 绝缘体：电阻率ρ很大；
（3） 半导体：电阻率ρ不大不小，10-3～109Ω•cm 。
常见的有：硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。
2、 半导体独特的导电特性
（1） 受温度（T）的影响大；T↑→ρ↓，热稳定性差，但也可做热敏元件
（2） 受光照的影响大；
（3） 掺杂对导电性能影响大。
例：室温，纯净的硅，ρ= 2*103Ω•cm ，如掺百万分之一（10-6）的磷（P），纯度还有99.9999%（6个9），则ρ= 4*10-3Ω•cm 。
二、 本征半导体
1、 什么是本征半导体：纯净的(9个9以上)，晶格整齐无缺陷的单晶半导体。
2、 本征半导体晶格结构
（1） 半导体原子结构

惯性核 价电子

（2）晶格结构
p3 图1-1-2
每个价电子与相邻原子的价电子组成共价键。通过共价键使所有的原子结合成一个晶体。

3、 本征激发
（1） 当T=0K（绝对零度）时，所有价电子都束缚在共价键中，不能成为自由电子，晶体相当绝缘体。
（2） 当T>0K 或光照时，部分价电子获得额外能量，摆脱共价键束缚变为自由电子，并在共价键中留下一个缺少负电荷的空位（空穴）。这过程就叫本征激发。

（a） 本征激发时，自由电子和空穴是成对出现，叫自由电子空穴对；
（b） 空穴是带正电的，因为原子是电中性的；
（c） 空穴可以运动：邻近共价键中的价电子填补空穴。
（d） 温度越高，产生的自由电子空穴对就越多。
4、 载流子： 可以运动的带电粒子。
半导体中自由电子和空穴都是载流子。

5、 复合： 自由电子填补空穴。
自由电子和空穴成对消失。自由电子和空穴浓度越大，复合的几率就越大。
6、 热平衡载流子浓度
热平衡：在一定温度下，自由电子空穴对的产生与复合达到了动态平衡（单位时间有多少自由电子空穴对产生出来同时也有同等数量的自由电子空穴对复合掉）就叫热平衡。这时自由电子空穴对的浓度（单位体积粒子数）即热平衡热平衡载流子浓度保持不变。
当温度T↑时，↑↑
常温下，是很小的。例：硅在室温T=300K时，。而硅的原子密度为，即每3万亿个硅原子只有1个价电子被本征激发。
三、 杂质半导体
在本征半导体中掺进一定量的杂质元素
1、 N型半导体（在单晶硅中掺进5价元素，如磷P） p4图1-1-4

磷原子替代硅原子，晶格结构不变。磷的第5个价电子没有受到共价键的束缚，在常温下都成为自由电子。（共价键中的价电子要受激发成为自由电子需要1.1eV的能量，而磷的第5个价电子受激发成为自由电子只需要0.04eV的能量）。
（1） 掺杂只产生自由电子不产生空穴；
（2） 磷原子变为正离子（杂质离子），但因固定在晶格中所以不参与导电。
（3） 当掺杂浓度 >> 热平衡本征载流子浓度时，N型半导体中自由电子的热平衡浓度掺杂浓度。
（几个数量级：硅原子密度：；；常温时）
（4） N型半导体中空穴的热平衡浓度
由半导体的热平衡条件：，则
，一般，
定性解释：由于，所以空穴被复合的几率，
（5） 电中性条件：，其中为正离子浓度
（6） N型半导体中，自由电子是多数载流子，简称多子；空穴是少数载流子，简称少子。当温度T时，多子浓度基本不变；而少子浓度由于，所以
（7） 5价杂质又称施主杂质，也叫N型杂质。
2、 P型半导体（在单晶硅中掺进3价杂质元素如硼B） p4图1-1-5
3价杂质只有3个价电子，共价键缺少1个价电子而出现一个空位，邻近共价键的价电子很容易去填补空位，在价电子原来位置就形成空穴，同时杂质原子也变为负离子。
（1） 掺杂只产生空穴不产生自由电子；
（2） 硼原子变为负离子（杂质离子），但因固定在晶格中所以不参与导电。
（3） 当掺杂浓度 >> 热平衡本征载流子浓度时，P型半导体中空穴的热平衡浓度掺杂浓度。
（4） P型半导体中自由电子的热平衡浓度
由半导体的热平衡条件：，则
，一般，
（5） 电中性条件：，其中为负离子浓度
（6） P型半导体中，空穴是多子；自由电子是少子。当温度T时，空穴浓度基本不变；而自由电子浓度
（7） 3价杂质又称受主杂质，也叫P型杂质。
3、 杂质补偿
例：先掺5价磷，，为N型半导体； 再掺3价硼，，由于，就由N型半导体变为P型半导体。
四、 两种导电机制------漂移和扩散
1、 漂移运动与漂移电流
（1） 漂移运动：在外电场作用下，载流子产生的定向运动。
自由电子逆外电场方向运动；空穴顺外电场方向运动。
（2） 漂移电流：载流子漂移运动产生的电流，电流方向都是顺外电场方向
2、 扩散运动与扩散电流
（1） 扩散运动：当载流子浓度分布不均匀时，载流子从高浓度区向低浓度区的运动。运动方向与浓度梯度方向相反
（2） 扩散电流：载流子扩散运动产生的电流。电流密度的大小与浓度梯度的大小成正比。
自由电子扩散电流方向同自由电子浓度梯度方向
空穴扩散电流方向逆空穴浓度梯度方向

（3） 扩散电流是半导体中特有的，金属中不可能有扩散电流，因为金属中只有自由电子一种载流子，不可能有不均匀的浓度分布。