半导体理论:定义与基础

我们可以根据价带和导带之间的能隙来对材料进行分类。价带是由价电子组成的带，导带为空。当一个电子从价带跃迁到导带时，就发生了传导，这两个带之间的间隙就是禁能隙。

价带和导带之间的间隙越宽，将电子从价带转移到导带所需的能量就越高。在……的情况下导体，这个能隙不存在，换句话说就是导带和价带相互重叠。因此，电子从价带跃迁需要最小能量。导体的典型例子是银、铜和铝。在绝缘体，这一差距是巨大的。

因此，将一个电子从价带转移到导带需要相当大的能量。因此，绝缘体是电的不良导体。云母和陶瓷是众所周知的绝缘材料的例子。半导体另一方面，在导体和绝缘体之间有一个能量间隙。

这个间隙通常为1ev左右，因此，一个电子比导体需要更多的能量，但比绝缘材料需要更少的能量来实现价带向导带的转移。低温时，半导体晶体的导带中电子数量很少，但当温度升高时，越来越多的电子获得足够的能量从价带迁移到导带。正因为如此，它们在低温下不导电，但随着温度的升高，电导率会增加。半导体最典型的例子是硅和锗。

半导体的定义

因此,半导体的定义可以如下。

商业上最常用的半导体材料是锗(Ge)和硅(Si)，因为它们具有耐高温的特性。这意味着随着温度的变化，能量间隙不会有明显的变化。

Si和Ge的能隙与绝对温度的关系如下:

式中T = in的绝对温度^oK
假设室温为300℃^oK,

在室温下电阻率半导体的本质是在绝缘体和导体之间。半导体电阻率的温度系数为负，即电阻率为负电阻随着温度的升高而降低。Si和Ge都是IV族元素，即两种元素都有4个价电子。两者都与相邻分子形成共价键原子。在绝对零度时，两者表现出绝缘体的性质，即价带是满的而导带是空的，但随着温度的升高，越来越多的共价键被打破，电子被释放并跃迁到导带。

在上述半导体能带图中。CB为导带，VB为价带。在0^oK, VB充满了所有的价电子。

本征半导体

按半导体理论，其纯形式的半导体称为本征半导体。在纯半导体中，电子数(n)等于空穴数(p)，因此，由于价电子是共价键，电导率很低。这里我们写n = p = n_我,其中n_我叫做本征浓度。可以证明n_我可以写
在那里,n₀是一个常数，T是绝对温度，V_G是半导体带隙电压，而V_T为热电压。
热电压与温度有关的是V_T= kT /问
其中，k为玻尔兹曼常数(k = 1.381 × 10⁻²³J / K)。
在本征半导体电导率(σ)由两个电子(σ_e)和孔(σ_h)，并取决于载流子密度。
σ_e=不μ_e,σ_h= peμ_h
电导率,
其中n, p分别为电子数和空穴数。
μ_h,μ_e=自由空穴和电子的迁移率
N = N = p
E =承运人的电荷

非本征半导体

按半导体理论，称为非纯半导体非本征半导体。非本征半导体是通过加入少量杂质而形成的。根据加入的杂质类型，我们有两种半导体:n型和p型半导体。在1亿份半导体中，加入了1份杂质。

N型半导体

在这类半导体中，多数载流子是电子，少数载流子是空穴。N型半导体在纯半导体晶体中加入五价(五个价电子)杂质，如P. As, Sb。

五价杂质的五个价电子中有四个与硅原子形成共价键，其余的电子在晶体中可以自由移动。五价杂质给硅提供电子，这就是为什么n型杂质原子被称为给体原子。这提高了纯硅的电导率。大多数载流子是电子，因此电导率仅由这些电子决定，
σ= neμ_e

P型半导体

在这类半导体中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。p型半导体是通过在纯半导体晶体中加入三价(三个价电子)杂质而形成的，如B、Al、Ba。

四价杂质的四个价电子中的三个与硅原子形成共价键。这种现象创造了一个我们称之为洞的空间。当温度升高时，另一个共价键上的一个电子跃迁到这个空间。因此，后面会产生一个洞。传导就是这样发生的。型杂质接受电子，称为受体原子。大多数载流子都是空穴，因此电导率仅由这些空穴决定，
σ= neμ_h