电子和“洞”

与金属相比，纯半导体是相对较好的绝缘体，尽管不如玻璃等真正的绝缘体好。为了在半导体应用中有用，本征半导体 （纯未掺杂半导体）在 100 亿个半导体原子中必须含有不超过一个杂质原子。这类似于铁路车厢糖中的一粒盐杂质。不纯或脏的半导体导电性要好得多，但不如金属好。为什么会这样？要回答这个问题，我们必须看看下图这种材料的电子结构。

电子结构

下图 (a) 显示了半导体价壳中的四个电子与其他四个原子形成共价键。这是上图的扁平化、更易于绘制的版本。一个原子的所有电子都被四个共价键捆绑在一起，即共享电子对。电子不能在晶格中自由移动。因此，与金属相比，本征、纯半导体是相对较好的绝缘体。

(a) 本征半导体是具有完整电子壳层的绝缘体。 (b) 然而，热能可以产生很少的电子 - 空穴对，导致弱传导。

热能有时可能会从晶格中释放一个电子，如上图 (b) 所示。该电子可以自由地在晶格周围传导。当电子被释放时，它会在晶格中留下一个带正电荷的空点，称为空穴 .这个洞不是固定在格子上的；但是，可以自由移动。自由电子和空穴都有助于晶格周围的传导。也就是说，电子在落入空穴之前是自由的。这叫做重组 .如果对半导体施加外部电场，则电子和空穴将沿相反方向传导。升高温度会增加电子和空穴的数量，从而降低电阻。这与金属相反，金属通过增加电子与晶格的碰撞而随温度增加电阻。本征半导体中电子和空穴的数量相等。然而，在施加外场的情况下，两个载体不一定以相同的速度移动。另一种说法是移动性 电子和空穴不一样。

半导体杂质

纯半导体本身并不是特别有用。但是，在添加特定杂质之前，必须先将半导体精炼至高纯度作为起点。

半导体材料纯度为 100 亿分之一，可能会添加大约 1000 万分之一的特定杂质以增加载流子的数量。将所需杂质添加到半导体中称为掺杂 .掺杂增加了半导体的导电性，使其与金属相比比绝缘体更具有可比性。

通过掺杂电子供体可以增加半导体晶格内负电荷载流子的数量 比如磷。电子供体，也称为 N 型 掺杂剂包括元素周期表 VA 族的元素：氮、磷、砷和锑。氮和磷是金刚石的 N 型掺杂剂。磷、砷、锑与硅一起使用。

下图（b）中的晶格包含在外壳中具有四个电子的原子，与相邻原子形成四个共价键。这是预期的晶格。与硅原子相比，在外壳中添加一个具有五个电子的磷原子会在晶格中引入一个额外的电子。五价杂质通过五个电子中的四个与四个硅原子形成四个共价键，并在剩余一个电子的情况下嵌入晶格。请注意，该备用电子不像普通 Si 原子的电子那样与晶格牢固结合。它可以在晶格中自由移动，不受磷晶格位点的束缚。由于我们在 1000 万个硅原子中掺杂了一部分磷，与众多的硅原子相比，产生的自由电子很少。然而，与本征硅中较少的电子-空穴对相比，产生了许多电子。外部电场的应用在导带（价带以上）中的掺杂半导体中产生强传导。较重的掺杂水平产生更强的传导。因此，导电性差的本征半导体已转变为良好的电导体。

(a) 施主 N 型磷、硅（供参考）和受主 P 型硼的外壳电子构型。 (b) N 型施主杂质产生自由电子 (c) P 型受主杂质产生空穴，一个正电荷载流子。

还可以引入与硅相比缺乏电子的杂质，与硅相比，价壳中具有三个电子而具有四个电子。在上图 (c) 中，这留下了一个空点，称为 hole ，一个正电荷载体。硼原子试图与四个硅原子键合，但价带中只有三个电子。在试图形成四个共价键时，三个电子四处移动试图形成四个键。这使得孔看起来在移动。此外，三价原子可以从相邻的（或更远的）硅原子借用一个电子以形成四个共价键。然而，这使得硅原子缺少一个电子。换句话说，空穴已移动到相邻（或更远）的硅原子。空穴位于价带中，低于导带的能级。掺杂电子受体 ，一个可以接受电子的原子，会造成电子的不足，就像空穴过多一样。由于空穴是正电荷载流子，因此电子受体掺杂剂也称为 P 型 掺杂剂。 P 型掺杂剂使半导体带有过量的空穴、正电荷载流子。周期表 IIIA 族的 P 型元素包括硼、铝、镓和铟。硼用作硅和金刚石半导体的P型掺杂剂，而铟与锗一起使用。

下图与电子传导的“管中的大理石”类比将空穴的运动与电子的运动联系起来。弹珠代表导体管中的电子。在导线或 N 型半导体中，电子从左到右的运动是通过电子从左侧进入管子迫使电子从右侧退出来解释的。 N型电子的传导发生在导带中。将其与价带中空穴的运动进行比较。

管中的大理石类比：(a) 当电子进入管时，电子在导带中向右移动。 (b) 随着电子向左移动，空穴在价带中向右移动。

要使空穴进入上图 (b) 的左侧，必须移除一个电子。当从左到右移动空穴时，电子必须从右到左移动。第一个电子从管的左端射出，因此空穴可以向右移动到管中。电子沿与空穴相反的方向运动。随着空穴向右移动得更远，电子必须向左移动以容纳空穴。由于 P 型掺杂，价带中没有电子的空穴。它具有局部正电荷。为了使空穴向给定方向移动，价电子向相反方向移动。

N 型半导体中的电子流动类似于电子在金属线中的运动。 N 型掺杂原子将产生可用于传导的电子。由于掺杂剂，这些电子被称为主要载流子 ，因为与极少数热孔相比，它们占大多数。如果在下图 (a) 中的 N 型半导体棒上施加电场，则电子进入棒的负（左）端，穿过晶格，并从右侧退出到 (+) 电池端子。

(a) n 型半导体，电子通过晶格从左向右移动。 (b) 空穴从左向右移动的 p 型半导体，对应于向相反方向移动的电子。

P 型半导体中的电流更难以解释。 P 型掺杂剂，一种电子受体，产生称为空穴的局部正电荷区域。 P型半导体中的多数载流子是空穴。虽然空穴在三价掺杂原子位点形成，但它们可能会在半导体棒上移动。请注意，上图（b）中的电池与（a）相反。电池正极接在P型条的左端。电子流出电池负极端子，通过 P 型棒，返回电池正极端子。离开电池正极的半导体棒的正极（左）端的电子会在半导体中留下一个洞，该洞可能会向右移动。孔从左到右穿过晶格。在条形的负端，来自电池的电子与空穴结合，将其中和。这为另一个孔在杆的正端向右移动提供了空间。请记住，当空穴从左向右移动时，实际上是电子向相反方向移动，导致了明显的空穴移动。

用于生产半导体的元素

用于生产半导体的元素总结如下图所示。最古老的 IVA 族大块半导体材料锗今天仅在有限的范围内使用。硅基半导体约占所有半导体商业生产的 90%。目前，基于金刚石的半导体是一项具有相当大潜力的研发活动。未列出的化合物半导体包括硅锗（Si 晶片上的薄层）、碳化硅和 III-V 族化合物，例如砷化镓。 III-VI族化合物半导体包括AlN、GaN、InN、AlP、AlAs、AlSb、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、InSb、AlxGa1-xAs和InxGa1-xAs。元素周期表第II、VI列（图中未显示）也形成化合物半导体。

IIIA 族 P 型掺杂剂、IV 族基本半导体材料和 VA 族 N 型掺杂剂。

在上图中包含 IIIA 和 VA 族的主要原因是为了显示与 IVA 族半导体一起使用的掺杂剂。 IIIA 族元素是受主，P 型掺杂剂，它接受电子，在晶格中留下一个空穴，是一种正载流子。硼是金刚石的 P 型掺杂剂，也是硅半导体最常见的掺杂剂。铟是锗的P型掺杂剂。

VA 族元素是施主，N 型掺杂剂，产生自由电子。氮和磷是适合金刚石的 N 型掺杂剂。磷和砷是最常用的硅 N 型掺杂剂；不过，可以使用锑。

评论：

• 本征半导体材料的纯度为 100 亿分之一，属于不良导体。
• N 型半导体掺杂五价杂质以产​​生自由电子。这种材料是导电的。电子是多数载流子。
• 掺有三价杂质的 P 型半导体具有丰富的自由空穴。这些是正电荷载体。 P型材料是导电的。空穴是多数载流子。
• 大多数半导体都基于元素周期表 IVA 族的元素，硅是最普遍的。锗已经过时了。碳（金刚石）正在开发中。
• 碳化硅（IVA 族）和砷化镓（III-V 族）等化合物半导体得到广泛应用。

相关工作表：

• 半导体中的导电工作表