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1.1.2本征半導(dǎo)體

原子由原子核和電子構(gòu)成，原子核由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成，電子帶負(fù)電并圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。電子以不同的距離在核外分層排布，距核越遠(yuǎn)，電子的能量越高，最外層的電子被稱為價(jià)電子，物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)就是由價(jià)電子的數(shù)目決定的。由于現(xiàn)在所用的半導(dǎo)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(jié)構(gòu)，圖1-1所示是硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型。硅和鍺的外層電子都是4個(gè)，它們是四價(jià)元素。隨著原子間的相互靠近，價(jià)電子相互作用并形成晶體。晶體的最終結(jié)構(gòu)是四面體，每個(gè)原子(硅或鍺)周圍都有4個(gè)臨近的(硅或鍺)原子，分布在兩個(gè)原子間的價(jià)電子構(gòu)成共價(jià)鍵，

                                                                                                    圖1-1硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型                    圖1-2所示是硅和鍺四面體結(jié)構(gòu)

硅和鍺四面體結(jié)構(gòu)一般用二維平面圖來(lái)表示，圖1-3所示是硅和鍺晶體結(jié)構(gòu)平面圖。在晶體結(jié)構(gòu)中，通過(guò)電子運(yùn)動(dòng)，每一半導(dǎo)體原子最外層的4個(gè)價(jià)電子與相鄰的4個(gè)半導(dǎo)體原子的各一個(gè)價(jià)電子組成4對(duì)共價(jià)鍵，并按規(guī)律排列，圖中的原子間每條線代表一個(gè)價(jià)電子。本征半導(dǎo)體就是以上所說(shuō)的一種純凈的半導(dǎo)體晶體。在熱力學(xué)溫度T=0K(-273℃)無(wú)外部激發(fā)能量時(shí)，每個(gè)價(jià)電子都處于最低能態(tài)，價(jià)電子沒(méi)有能力脫離共價(jià)鍵的束縛.沒(méi)有能夠自由移動(dòng)的帶電粒子，這時(shí)的本征半導(dǎo)體被認(rèn)為是絕緣體。當(dāng)價(jià)電子在外部能量(如溫度升高、光照)作用下，一部分價(jià)電子脫離共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，這一過(guò)程叫本征激發(fā)。自由電子是帶負(fù)電荷量的粒子，它是本征半導(dǎo)體中的一種載流子。在外電場(chǎng)作用下，自由電子將逆著電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)形成電流。載流子的這種運(yùn)動(dòng)叫漂移，所形成的電流叫漂移電流。價(jià)電子脫離共價(jià)鍵的束縛成為自由電子后，在原來(lái)的共價(jià)健中便留下一個(gè)空位，這個(gè)空位叫空穴。空穴很容易被鄰近共價(jià)鍵中跳過(guò)來(lái)的價(jià)電子填補(bǔ)上，于是在鄰近共價(jià)鍵中又出現(xiàn)新的空穴，這個(gè)空穴再被別處共價(jià)鍵中的價(jià)電子來(lái)填補(bǔ);這樣，在半導(dǎo)體中出現(xiàn)了價(jià)電子填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)。在外部能量的作用下，填補(bǔ)空穴的價(jià)電子作定向移動(dòng)也形成漂移電流。但這種價(jià)電子的填補(bǔ)運(yùn)動(dòng)是由于空穴的產(chǎn)生引起的，而且始終是在原子的共價(jià)鍵之間進(jìn)行的，它不同于自由電子在晶體中的自由運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，價(jià)電子填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)無(wú)論在形式上還是在效果上都相當(dāng)于空穴在與價(jià)電子運(yùn)動(dòng)相反的方向上運(yùn)動(dòng)。為了區(qū)分電子的這兩種不同的運(yùn)動(dòng)，把后一種運(yùn)動(dòng)叫做空穴運(yùn)動(dòng)，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(dǎo)體中的兩種載流子。