本征半导体

半导体是否有一种材料的导电性介于两者之间导体和绝缘体。化学上纯的，意思是不含杂质的半导体被称为半导体本征半导体或无掺杂半导体或i型半导体。最常见的本征半导体是硅(Si)和锗(Ge)，它们属于元素周期表的第IV组。Si和Ge的原子序数分别为14和32，它们的电子排布为1s²2 s²2 p⁶3 s²3 p²和1²2 s²2 p⁶3 s²3 p⁶4 s²3 d¹⁰4 p²,分别。

这表明Si和Ge都有4个电子位于最外层，即价电子层(用红色表示)。这些电子被称为价电子，并负责半导体的传导特性。

硅的二维晶格(锗也是一样的)如图1所示。这里可以看到，Si原子的每个价电子与相邻Si原子的价电子配对形成共价键。

配对后,本征半导体失去了自由载流子，也就是价电子。因此，在0K时价带将充满电子，而导带将是空的(图2a)。在这一阶段，价带的电子不会获得足够的能量穿越半导体材料的禁带。因此，固有半导体在0K时起绝缘体的作用。

但在室温下，热能可能会导致少数共价键断裂，从而产生如图3a所示的自由电子。由此产生的电子被激发，从价带进入导带，克服了能垒(图2b)。在这个过程中，每个电子都会在价带留下一个空穴。通过这种方式产生的电子和空穴被称为本征载流子，并负责本征半导体材料所表现出的导电性能。

虽然本征半导体能够在室温下导电，但我们可以注意到，由于只有很少的载流子，所以所展示的电导率很低。但随着温度的升高，越来越多的共价键断裂，从而产生越来越多的自由电子。自由电子的数目，反过来，导致更多的电子从价带移动到导带。随着导带内电子的居群增加，本征半导体的导电性也增加。然而，电子数(n_我)在本征半导体中始终等于其中的空穴数(p_我)。

在申请一个电场这样的一个本征半导体，在它的影响下，电子-空穴对会发生漂移。如图3b所示，电子沿与外加电场相反的方向运动，空穴沿电场方向运动。这意味着电子和空穴的运动方向是相互相反的。这是因为，作为一个特定的电子原子通过在原来的位置留下一个空穴，邻近原子的电子通过与空穴重新结合而占据原来的位置。然而，当这样做的时候，它会在它的位置上留下一个多的洞。这可以看作是半导体材料中空穴(在本例中是向右)的运动。这两种运动，虽然方向相反，却导致了总流动当前的通过半导体。

在数学上载流子密度本征半导体是由

在这里,
N_c是导带内的有效态密度。
N_v是价带的有效态密度。
是玻尔兹曼常数。
T是温度。
E_F是费米能量。
E_v表示价带水平。
E_c指示导通带的电平。
是普朗克常数。
米_h是一个洞的有效质量。
米_e是电子的有效质量。