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1.1.2本征半導體

原子由原子核和電子構成，原子核由帶正電的質子和不帶電的中子構成，電子帶負電并圍繞原子核旋轉。電子以不同的距離在核外分層排布，距核越遠，電子的能量越高，最外層的電子被稱為價電子，物質的化學性質就是由價電子的數目決定的。由于現在所用的半導體材料仍然主要是硅和鍺,所以在這里只討論硅和鍺的原子結構，圖1-1所示是硅和鍺的原子結構簡化模型。硅和鍺的外層電子都是4個，它們是四價元素。隨著原子間的相互靠近，價電子相互作用并形成晶體。晶體的最終結構是四面體，每個原子(硅或鍺)周圍都有4個臨近的(硅或鍺)原子，分布在兩個原子間的價電子構成共價鍵，

                                                                                                    圖1-1硅和鍺的原子結構簡化模型                    圖1-2所示是硅和鍺四面體結構

硅和鍺四面體結構一般用二維平面圖來表示，圖1-3所示是硅和鍺晶體結構平面圖。在晶體結構中，通過電子運動，每一半導體原子最外層的4個價電子與相鄰的4個半導體原子的各一個價電子組成4對共價鍵，并按規律排列，圖中的原子間每條線代表一個價電子。本征半導體就是以上所說的一種純凈的半導體晶體。在熱力學溫度T=0K(-273℃)無外部激發能量時，每個價電子都處于最低能態，價電子沒有能力脫離共價鍵的束縛.沒有能夠自由移動的帶電粒子，這時的本征半導體被認為是絕緣體。當價電子在外部能量(如溫度升高、光照)作用下，一部分價電子脫離共價鍵的束縛成為自由電子，這一過程叫本征激發。自由電子是帶負電荷量的粒子，它是本征半導體中的一種載流子。在外電場作用下，自由電子將逆著電場方向運動形成電流。載流子的這種運動叫漂移，所形成的電流叫漂移電流。價電子脫離共價鍵的束縛成為自由電子后，在原來的共價健中便留下一個空位，這個空位叫空穴。空穴很容易被鄰近共價鍵中跳過來的價電子填補上，于是在鄰近共價鍵中又出現新的空穴，這個空穴再被別處共價鍵中的價電子來填補;這樣，在半導體中出現了價電子填補空穴的運動。在外部能量的作用下，填補空穴的價電子作定向移動也形成漂移電流。但這種價電子的填補運動是由于空穴的產生引起的，而且始終是在原子的共價鍵之間進行的，它不同于自由電子在晶體中的自由運動。同時，價電子填補空穴的運動無論在形式上還是在效果上都相當于空穴在與價電子運動相反的方向上運動。為了區分電子的這兩種不同的運動，把后一種運動叫做空穴運動，空穴被看作帶正電荷的帶電粒子，稱它為空穴載流子。圖1-4所示是半導體中的兩種載流子。