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——CSDN@厉昱辰

🍍🍍一、半导体

🍍🍍二、本征半导体的晶体结构

🍍🍍 三、本征半导体中的两种载流子

🍍🍍四、本征半导体中载流子的浓度

定义：纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。

一、半导体

物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。高价元素(如惰性气体)或高分子物质(如橡胶),它们的最外层电子受原子核束缚力很强,很难成为自由电子，所以导电性极差，成为绝缘体。常用的半导体材料硅(Si)和锗(Ge)均为四价元素,它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧，因而其导电性介于二者之间。

在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素时,导电性能具有可控性;并且,在光照和热辐射条件下,其导电性还有明显的变化;这些特殊的性质就决定了半导体可以制成各种电子器件。

二、本征半导体的晶体结构

将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体,即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格。由于相邻原子间的距离很小,因此,相邻的两个原子的一对最外层电子(即价电子)不但各自围绕自身所属的原子核运动,而且出现在相邻原子所属的轨道上,成为共用电子,这样的组合称为共价键结构,如图所示。

三、本征半导体中的两种载流子

晶体中的共价键具有很强的结合力,因此,在常温下,仅有极少数的价电子由于热运动(热激发)获得足够的能量，从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子。与此同时,在共价键中留下一个空位置，称为空穴。原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。在本征半导体中自由电子与空穴是成对出现的,即自由电子与空穴数目相等,如图所示。这样，若在本征半导体两端外加一电场，则一方面自由电子将产生定向移动，形成电子电流;另一方面由于空穴的存在，价电子将按一定的方向依次填补空穴，也就是说空穴也产生定向移动，形成空穴电流。由于自由电子和空穴所带电荷极性不同，所以它们的运动方向相反，本征半导体中的电流是两个电流之和。

运载电荷的粒子称为载流子。导体导电只有一种载流子，即自由电子导电;而本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电，这是半导体导电的特殊性质。

四、本征半导体中载流子的浓度

半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。在一定的温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，故达到动态平衡。换言之，在一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的,并且自由电子与空穴的浓度相等。当环境温度升高时，热运动加剧,挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多，即载流子的浓度升高，因而必然使得导电性能增强。反之，若环境温度降低，则载流子的浓度降低，因而导电性能变差，可见，本征半导体载流子的浓度是环境温度的函数。理论分析表明，本征半导体载流子的浓度为

$n_{i}=p_{i}=K_{1}T^{\frac{3}{2}}e{\frac{-E_{GO}}{\left ( 2k\pi \right )}}$

式中 $n_{i}$ 和 $p_{i}$ 分别表示自由电子与空穴的浓度( $cm^{-3}$ )，T为热力学温度，k为玻尔兹曼常数( $8.63\times 10^{-5}eV/K$ ), $E_{GO}$ 为热力学零度时破坏共价键所需的能量，又称禁带宽度(硅为1.21eV,锗为0.785eV)， $K_{1}$ 是与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量(硅为 $3.87\times 10^{16}cm^{-3}\cdot K^{-3/2}$ ,锗为 $1.76\times 10^{16}cm^{-3}\cdot K^{-3/2}$ )。