半导体的概念介绍

  作者:dolphin 时间:2017-07-26

 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。

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