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本征半導(dǎo)�
閱讀�31813時間�2011-01-18 16:52:07

  本征半導(dǎo)�指的是完全不含雜�(zhì)和缺�,僅依賴本征載流子導(dǎo)電的半導(dǎo)體材�。實際半�(dǎo)體不能地純凈,本征半�(dǎo)體一般是指導(dǎo)電主要由材料的本征激�(fā)決定的純凈半�(dǎo)體。用得最多的半導(dǎo)體是鍺和�, 都是四價元素,將鍺或硅材料提純后形成的完全純凈,具有晶體�(jié)�(gòu)的半�(dǎo)體就是本征半�(dǎo)�.

材料

  常用的半�(dǎo)體材料是單晶�(Si)和單晶鍺(Ge) .所謂單�,是指整塊晶體中的原子按一定規(guī)則整 齊地排列著的晶體.非常純凈的單晶半�(dǎo)體稱為本征半�(dǎo)�. 制造半�(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)� 99.9999999%,常稱�"九� 9".它在物理�(jié)�(gòu)上呈 單晶體形�(tài).

�(dǎo)電特�

  (1)本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)�(gòu)

  硅和鍺是四價元素,在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子.它們分別與周圍的四個原子的� 電子形成共價�.共價鍵中的價電子為這些原子所共有,并為它們所束縛,在空間形成排列有序的晶體. 通常把原子核和內(nèi)層電子看作一個整�,稱為慣性核.慣性核帶有 4 個單位正電荷,最外層� 4 個價� 子帶� 4 個單位負(fù)電荷,因此,整個原子為電中�.這種�(jié)�(gòu)的立體和平面示意圖見� 1.

本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖

  (2) 電子空穴�

  一般來�,共價鍵中的價電子不完全象絕緣體中價電子所受束縛那樣強(qiáng),如果能從外界獲得一定的 能量(如光�,升溫,電磁場激�(fā)�) ,一些價電子就可能掙脫共價鍵的束縛而成為自由電�.這一�(xiàn)� 稱為本征激�(fā)(也稱熱激�(fā)) .

  理論和實驗表�:在常�(T=300K)�,硅共價鍵中的價電子只要獲得大于電離能EG(=1.1eV) 的能量便可激�(fā)成為自由電子.本征鍺的電離能更�,只有 0.72eV.

  �(dāng)共價鍵中的一個價電子受激�(fā)掙脫原子核的束縛成為自由電子的同�,在共價鍵中便留下了一� 空位�,稱為"空穴".�(dāng)空穴出現(xiàn)�,相鄰原子的價電子比較容易離開它所在的共價鍵而填�(bǔ)到這個空� 中來使該價電子原來所在共價鍵中出�(xiàn)一個新的空�,這個空穴又可能被相鄰原子的價電子填�(bǔ),再出 �(xiàn)新的空穴.價電子填�(bǔ)空穴的這種運動無論在形式上還是效果上都相當(dāng)于帶正電荷的空穴在運�,� 運動方向與價電子運動方向相反.為了區(qū)別于自由電子的運�,把這種運動稱為空穴運動,并把空穴� 成是一種帶正點荷的載流�.

  �(dāng)自由電子在運動過程中遇到空穴時可能會填充�(jìn)去從而恢�(fù)一個共價鍵,與此同時消失一�"電子 一空穴"�,這一相反過程稱為"�(fù)�",如圖 2 所�.在一定溫度條件下,�(chǎn)生的"電子一空穴�"和復(fù)� �"電子一空穴�"�(shù)量相等時,形成相對平衡,這種相對平衡屬于動態(tài)平衡,�(dá)到動�(tài)平衡�"電子一� 穴對"維持一定的�(shù)�.

本征激發(fā)和復(fù)合的過程

  可見,在半�(dǎo)體中存在著自由電子和空穴兩種載流�,而金屬導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子,� 也是半導(dǎo)體與�(dǎo)體導(dǎo)電方式的不同之處.

  (3) 空穴的移�

  自由電子的定向運動形成了電子電流,空穴的定向運動也可形成空穴電�,它們的方向相反.只不 過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實�(xiàn)�.

特點

  在零度溫度下,半�(dǎo)體的價帶是滿帶(見能帶理論),受到光電注入或熱激�(fā)�,價帶中的部分電子會越過禁帶�(jìn)入能量較高的空帶,空帶中存在電子后成為導(dǎo)�,價帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空�,稱為空�,導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴合稱為電子-空穴�。上述產(chǎn)生的電子和空穴均能自由移�,成為自由載流子,它們在外電場作用下�(chǎn)生定向運動而形成宏觀電流,分別稱為電子導(dǎo)電和空穴�(dǎo)�。這種由于電子-空穴對的產(chǎn)生而形成的混合型導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電。導(dǎo)帶中的電子會落入空穴,使電子-空穴對消失,稱為復(fù)�。復(fù)合時�(chǎn)生的能量以電磁輻射或晶格熱振動的形式釋放。在一定溫度下,電子-空穴對的�(chǎn)生和�(fù)合同時存在并�(dá)到動�(tài)平衡,此時本征半�(dǎo)體具有一定的載流子濃�,從而具有一定的電導(dǎo)率。加熱或光照會使半導(dǎo)體發(fā)生熱激�(fā)或光激�(fā),從而產(chǎn)生更多的電子-空穴對,這時載流子濃度增�,電�(dǎo)率增�。半�(dǎo)體熱敏電阻和光敏電阻等半�(dǎo)體器件就是根�(jù)此原理制成的。常溫下本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率較�,載流子濃度對溫度變化敏�,所以很難對半導(dǎo)體特性�(jìn)行控制,因此實際�(yīng)用不��

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