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六脉神剑
第21楼2006/10/28
半导体
semiconductor
电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的
物质。半导体室温时电阻率约在10-5～107欧·米之间，温度
升高时电阻率指数则减小。半导体材料很多，按化学成分可
分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的
元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物（ 砷化镓 、
磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物
(锰、铬、铁、铜的氧化物 ),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ
族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态
半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。
本征半导体 不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征
半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带(见能带理论)，
受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高
的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子
后形成一个带正电的空位，称为空穴（图 1 ）。导带中的电
子和价带中的空穴合称电子 - 空穴对，均能自由移动，即载
流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流 ，
分别称为电子导电和空穴导电 。 这种由于电子-空穴对的产
生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入
空穴，电子- 空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量
变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一
定温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态
平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的
电阻率。温度升高时，将产生更多的电子 - 空穴对，载流子
密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率
较大，实际应用不多。
半导体中杂质 半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。
半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干
扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生附加的杂质能级 。
例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质
原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四
个与周围的锗（或硅）原子形成共价结合，多余的一个电子
被束缚于杂质原子附近，产生类氢能级。杂质能级位于禁带
上方靠近导带底附近。杂质能级上的电子很易激发到导带成
为电子载流子。这种能提供电子载流子的杂质称为施主，相
应能级称为施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能
量比从价带激发到导带所需能量小得多（图 2 ）。在锗或硅
晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原
子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电
子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是杂质
能级，通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激
发到杂质能级上填补这个空位，使杂质原子成为负离子。价
带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载流子（图3 ）。这
种能提供空穴的杂质称为受主杂质。存在受主杂质时，在价
带中形成一个空穴载流子所需能量比本征半导体情形要小得
多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。加热或光照产生的热
激发或光激发都会使自由载流子数增加而导致电阻率减小 ，
半导体热敏电阻和光敏电阻就是根据此原理制成的。对掺入
施主杂质的半导体，导电载流子主要是导带中的电子，属电
子型导电，称N型半导体 。掺入受主杂质的半导体属空穴型
导电，称P型半导体。半导体在任何温度下都能产生电子-空
穴对，故N型半导体中可存在少量导电空穴，P型半导体中可
存在少量导电电子，它们均称为少数载流子。在半导体器件
的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。
PN结 P型半导体与N型半导体相互接触时，其交界区域
称为PN结。P区中的自由空穴和N区中的自由电子要向对方区
域扩散 ，造成正负电 荷在 PN 结两侧的积累 ，形成电偶极层
(图4 )。电偶极层中的电场方向 正好阻止扩散的进行。当由
于载流子数密度不等引起的扩散作用与电偶层中电场的作用
达到平衡时，P区和N区之间形成一定的电势差，称为接触电
势差。由于P 区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子复合 ，
而N区中的电子向P区扩散后与P 区中的空穴复合，这使电偶
极层中自由载流子数减少而形成高阻层，故电偶极层也叫阻
挡层，阻挡层的电阻值往往是组成PN结的半导体的原有阻值
的几十倍乃至几百倍。
PN结具有单向导电性，半导体整流管就是利用PN结的这
一特性制成的。PN结的另一重要性质是受到光照后能产生电
动势，称光生伏打效应，可利用来制造光电池。半导体三极
管、可控硅、PN结光敏器件和发光二极管等半导体器件均利
用了PN结的特性。
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六脉神剑
第22楼2006/11/09
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