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導電性能介于導體與絕緣體(insulator)之間的材料,叫做半導體(semiconductor). 物質(zhì)存在的形式多種多樣,固體、液體、氣體、等離子體等等。我們通常把導電性和導電導熱性差或不好的材料,如金剛石、人工晶體、琥珀、陶瓷等等,稱為絕緣體。而把導電、導熱都比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體?梢院唵蔚陌呀橛趯w和絕緣體之間的材料稱為半導體。與金屬和絕緣體相比,半導體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的,直到20世紀30年代,當材料的提純技術改進以后,半導體的存在才真正被學術界認可。

電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。半導體室溫時電阻率約在10-5~107歐·米之間,溫度升高時電阻率指數(shù)則減小。半導體材料很多,按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。鍺和硅是最常用的元素半導體;化合物半導體包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物(砷化鎵、磷化鎵等)、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化鎘、硫化鋅等)、氧化物(錳、鉻、鐵、銅的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體(鎵鋁砷、鎵砷磷等)。除上述晶態(tài)半導體外,還有非晶態(tài)的玻璃半導體、有機半導體等。

本征半導體 不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的半導體稱為本征半導體。在極低溫度下,半導體的價帶是滿帶(見能帶理論),受到熱激發(fā)后,價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶,空帶中存在電子后成為導帶,價帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空位,稱為空穴(圖 1 )。導帶中的電子和價帶中的空穴合稱電子 - 空穴對,均能自由移動,即載流子,它們在外電場作用下產(chǎn)生定向運動而形成宏觀電流,分別稱為電子導電和空穴導電。

這種由于電子-空穴對的產(chǎn)生而形成的混合型導電稱為本征導電。導帶中的電子會落入空穴,電子-空穴對消失,稱為復合。復合時釋放出的能量變成電磁輻射(發(fā)光)或晶格的熱振動能量(發(fā)熱)。在一定溫度下,電子 - 空穴對的產(chǎn)生和復合同時存在并達到動態(tài)平衡,此時半導體具有一定的載流子密度,從而具有一定的電阻率。溫度升高時,將產(chǎn)生更多的電子 - 空穴對,載流子密度增加,電阻率減小。無晶格缺陷的純凈半導體的電阻率較大,實際應用不多。

半導體中雜質(zhì) 半導體中的雜質(zhì)對電阻率的影響非常大。半導體中摻入微量雜質(zhì)時,雜質(zhì)原子附近的周期勢場受到干擾并形成附加的束縛狀態(tài),在禁帶中產(chǎn)加的雜質(zhì)能級。存在受主雜質(zhì)時,在價帶中形成一個空穴載流子所需能量比本征半導體情形要小得多。半導體摻雜后其電阻率大大下降。加熱或光照產(chǎn)生的熱激發(fā)或光激發(fā)都會使自由載流子數(shù)增加而導致電阻率減小,半導體熱敏電阻和光敏電阻就是根據(jù)此原理制成的。對摻入施主雜質(zhì)的半導體,導電載流子主要是導帶中的電子,屬電子型導電,稱N型半導體。

PN結 P型半導體與N型半導體相互接觸時,其交界區(qū)域稱為PN結。P區(qū)中的自由空穴和N區(qū)中的自由電子要向對方區(qū)域擴散,造成正負電荷在 PN 結兩側的積累,形成電偶極層。電偶極層中的電場方向正好阻止擴散的進行。當由于載流子數(shù)密度不等引起的擴散作用與電偶層中電場的作用達到平衡時,P區(qū)和N區(qū)之間形成一定的電勢差,稱為接觸電勢差。由于P 區(qū)中的空穴向N區(qū)擴散后與N區(qū)中的電子復合,而N區(qū)中的電子向P區(qū)擴散后與P 區(qū)中的空穴復合,這使電偶極層中自由載流子數(shù)減少而形成高阻層,故電偶極層也叫阻擋層,阻擋層的電阻值往往是組成PN結的半導體的原有阻值的幾十倍乃至幾百倍。

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