模电笔记1：半导体基础知识

前言：笔记主要来自于学校老师和上交大郑益慧老师的网课（B站可以找）的总结。

1.1半导体材料

1.1.1半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间。

1.1.2物质按导电能力的分类

1.1.2半导体的特性（具体原因后面介绍）

1.2半导体的共价键结构（以硅为例）

硅原子的简化模型如下左。

硅为四价元素，原子的最外层轨道上有4个电子，称为价电子（在实际工程领域还叫束缚电子）。中间+4表示正离子以示原子呈电中性。

半导体与金属和许多绝缘体一样，具有晶体结构，它们的原子在空间形成有序的排列，相邻原子之间由共价键连接，其平面示意图如上右。（其立体结构为正四面体）

1.3本征半导体及其导电作用

1.3.1本征半导体

是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。（完全纯净指无杂质单晶体，结构完整指完整的正四面体结构）

1.3.2本征激发（电子空穴对的产生）

在没有能量激发时，价电子（最外层电子）被共价键束缚，不能自由移动，半导体无法导电。但半导体中共价键对价电子的束缚并不像绝缘体那样牢固，在室温下，部分价电子会获得足够的热能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子。后面这个过程被称为本征激发。

1.3.3

空穴：当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键就留下了一个空位，称为空穴。（空穴的出现是半导体区别与导体的一个重要特征）

本征半导体中自由电子和空穴总是成对出现和消失的。

载流子：半导体中能够自由移动的带电粒子称为载流子。

本征半导体中的载流子只有自由电子和空穴。（空穴可以看作是一个带电量与电子相等，但电极性为正的粒子，其移动性可以从下面的半导体的导电作用中看出）

1.3.4半导体的导电作用

在本征激发后共价键出现了空穴，在外电场作用下，自由电子朝电场反方向运动，空穴附近的价电子会因为外电场的作用和空穴的吸引朝空穴运动并与空穴结合，这个方向也大概是电场反方向，而价电子的移动产生了新的空穴。重复上面过程，空穴可以看成是朝电场方向移动。

半导体中载流子的数目越多，导电能力越强。

1.3.5载流子的复合

当一个自由电子与一个空穴相遇，自由电子落入空穴时，两者同时消失，这一现象称为自由电子与空穴的复合。

1.4杂质半导体

1.4.1概念

本征半导体中，载流子由热激发产生的，需要一定的温度条件，这显然是不现实的。实际半导体器件都是通过本征半导体中加入一定浓度的杂质原子来产生杂质半导体。分为P（positive）型半导体和N（negative）型半导体。

1.4.2 P型半导体（空穴半导体）

在硅晶体内掺入少量三价元素杂质（大多数为正四面体结构，少量：保证晶体结构），如硼等，这样空穴数就大于自由电子数和原本的空穴数，导电能力提升。

硼原子在硅晶体中能接受电子，故称硼为受主杂质。

1.4.3N型半导体（电子半导体）

在硅晶体内掺入少量五价元素杂质（大多数为正四面体结构，少量：保证晶体结构），如磷等，这样自由电子数就大于空穴数和原本的自由电子数，导电能力提升。

硼原子在硅晶体中能贡献电子，故称硼为施主杂质。

1.4.4多子与少子

半导体中占多数的载流子简称多子，占少数的载流子为少子。

多子受温度影响可以忽略不计，因为多子的数目绝大多数由杂质提供，几乎不受温度影响。但少子受温度影响明显，不能忽略，因为少子由本征激发提供，受温度影响。

1.5半导体特性的理解

热敏特性和光敏特性都是因为给半导体中的价电子提供了更多的能量，增加了本征激发，产生了更多的载流子。而掺杂特性是掺入的杂质提供了更多的载流子。

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