【计算机的物理实现】什么是半导体

什么是半导体？

简单的说导电性能处于导体和绝缘体之间的物质属于半导体，例如硅、锗、砷化镓和一些硫化物和氧化物。

[b]那为什么这些物质就是半导体呢？[/b]

这是由于它们的电子结构决定的。例如硅和锗的电子结构如图。



它们的最外层电子数是4，处于相对稳定的状态。而其它最外层电子数小于4或大于4要么导电性能太强要么太差。

[b]那同样最外层电子数是4的其它元素呢？例如C和Sn。[/b]

虽然锗和硅的最外层电子数都是4但是从图中可以看出硅的电子层数比锗少一层。那么如果再少一层也就是元素周期表中上一个周期的碳呢？碳的最外层电子离原子核太近、太过稳定所以不适合做成半导体。而锗的下一周期的锡又离原子核太远太不稳定也不适合做半导体。所以单质半导体只能是硅或锗。当然半导体也可以由是其它的化合物制成，例如砷化镓。

[b]半导体有哪些分类？[/b]

半导体按组成元素可分为本征半导体和杂质半导体。

本征半导体就是纯净的半导体，也就是由单质组成，例如硅和锗。

以硅为例，每个硅原子和周围的四个硅原子通过共价键(如图)，因为共价键有很强的结合力，使每个硅原子紧密规则的组合在一起形成稳定的结构。在绝对0度(T=0)和没有外界激发的情况下，最外层电子几乎是无法脱离共价键的，也就是说在绝对0度和没有外界激发的条件下本征半导体相当于绝缘体。



但是当温度升高或者有光照的情况下，部分最外层电子会获得热能或光能变得活跃，从而能摆脱共价键的束缚，形成自由电子。而当有电子摆脱了共价键的束缚后电子原来的那个位置就空了出来，我们把这个空位称为空穴。因为这个硅原子失去了电子，所以我们可以认为这个空穴带正电。因为它带正电，它就会吸引经过它附近的电子填补这个位置，而既然它吸引到一个电子，说明有别的地方也产生了空穴。而别的空穴同样也会吸引附近的电子。这样就形成了电子移动。也就有了导电能力。

由以上内容可以看出本征半导体的导电能力取决于自由电子和空穴的浓度，我们把自由电子和空穴都称为载流子，另外因为每产生一个自由电子自然留下一个空穴，所以说自由电子和空穴是成对出现的。但是本征半导体的这些载流子的数量是很少的，而且受于温度高低和光照强度影响。

所以本征半导体的特点是：导电能力差，具有热敏和光敏效应。

杂质半导体就是在本征半导体中掺入杂质。

通过对本征半导体的说明我们知道本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。那么如果我们想增强半导体的导电能力我们就可以想办法增加载流子的浓度。也就是改变自由电子和空穴的数量。

那么载流子的浓度怎么改变呢？

如果想增加自由电子的浓度我们可以在硅晶体中掺入5价的元素，例如磷。例如如果加入5价的磷以后磷最外层的5个电子与4价的硅形成共价键之后还剩下一个电子。这样自由电子的数量就增加了。我们把掺入5价元素的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体）。因为N型半导体同样还会由于温度或光照的原因产生自由电子和空穴，而N型半导体中因为自由电子的数量远大于空穴，所以在N型半导体中自由电子被称为多子，空穴称为少子。

同样，如果想增加空穴的浓度我们可以在硅晶体中掺入3价的元素，例如硼。例如如果加入3价的硼以后硼最外层的3个电子与4价的硅形成共价键之后会产生一个空穴。这样空穴的数量就增加了。我们把掺入3价元素的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。因为P型半导体同样还会由于温度或光照的原因产生自由电子和空穴，而P型半导体中因为空穴的数量远大于自由电子，所以在P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。