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(shí)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)�。用得最多的半導(dǎo)體是鍺和�, 都是四價(jià)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)�.
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�(gè) 9".它在物理�(jié)�(gòu)上呈 單晶體形�(tài).
(1)本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)�(gòu)
硅和鍺是四價(jià)元素,在原子最外層軌道上的四�(gè)電子稱為�(jià)電子.它們分別與周圍的四�(gè)原子的價(jià) 電子形成共價(jià)�.共價(jià)鍵中的價(jià)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�(gè)整體,稱為慣性核.慣性核帶有 4 �(gè)單位正電�,最外層� 4 �(gè)�(jià)� 子帶� 4 �(gè)單位�(fù)電荷,因此,整�(gè)原子為電中�.這種�(jié)�(gòu)的立體和平面示意圖見� 1.
(2) 電子空穴�(duì)
一般來�,共價(jià)鍵中的價(jià)電子不完全象絕緣體中�(jià)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(jià)電子就可能掙脫共�(jià)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(shí)�(yàn)表明:在常�(T=300K)�,硅共�(jià)鍵中的價(jià)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(jià)鍵中的一�(gè)�(jià)電子受激�(fā)掙脫原子核的束縛成為自由電子的同�(shí),在共�(jià)鍵中便留下了一�(gè) 空位�,稱為"空穴".�(dāng)空穴出現(xiàn)�(shí),相鄰原子的價(jià)電子比較容易離開它所在的共價(jià)鍵而填�(bǔ)到這�(gè)空穴 中來使該�(jià)電子原來所在共�(jià)鍵中出現(xiàn)一�(gè)新的空穴,這�(gè)空穴又可能被相鄰原子的價(jià)電子填補(bǔ),再出 �(xiàn)新的空穴.�(jià)電子填補(bǔ)空穴的這種�(yùn)�(dòng)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(yùn)�(dòng),� �(yùn)�(dòng)方向與價(jià)電子�(yùn)�(dòng)方向相反.為了區(qū)別于自由電子的運(yùn)�(dòng),把這種�(yùn)�(dòng)稱為空穴�(yùn)�(dòng),并把空穴� 成是一種帶正點(diǎn)荷的載流�.
�(dāng)自由電子在運(yùn)�(dòng)過程中遇到空穴時(shí)可能�(huì)填充�(jìn)去從而恢�(fù)一�(gè)共價(jià)�,與此同時(shí)消失一�(gè)"電子 一空穴"�(duì),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�(duì)"和復(fù)� �"電子一空穴�(duì)"�(shù)量相等時(shí),形成相對(duì)平衡,這種相對(duì)平衡屬于�(dòng)�(tài)平衡,�(dá)到動(dòng)�(tài)平衡�(shí)"電子一� 穴對(duì)"維持一定的�(shù)�.
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�(dòng)
自由電子的定向運(yùn)�(dòng)形成了電子電�,空穴的定向運(yùn)�(dòng)也可形成空穴電流,它們的方向相反.只不 過空穴的�(yùn)�(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)�(xiàn)�.
在零度溫度下,半�(dǎo)體的�(jià)帶是滿帶(見能帶理論�,受到光電注入或熱激�(fā)�,價(jià)帶中的部分電子會(huì)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(jià)帶中缺少一�(gè)電子后形成一�(gè)帶正電的空位,稱為空�,導(dǎo)帶中的電子和�(jià)帶中的空穴合稱為電子-空穴對(duì)。上述產(chǎn)生的電子和空穴均能自由移�(dòng),成為自由載流子,它�?cè)谕怆妶鲎饔孟庐a(chǎn)生定向運(yùn)�(dòng)而形成宏觀電流,分別稱為電子導(dǎo)電和空穴�(dǎo)電。這種由于電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生而形成的混合型導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)�。導(dǎo)帶中的電子會(huì)落入空穴,使電子-空穴對(duì)消失,稱為復(fù)�。復(fù)合時(shí)�(chǎn)生的能量以電磁輻射或晶格熱振�(dòng)的形式釋放。在一定溫度下,電子-空穴�(duì)的產(chǎn)生和�(fù)合同�(shí)存在并達(dá)到動(dòng)�(tài)平衡,此�(shí)本征半導(dǎo)體具有一定的載流子濃�,從而具有一定的電導(dǎo)�。加熱或光照�(huì)使半�(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(duì),這時(shí)載流子濃度增加,電導(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�(duì)溫度變化敏感,所以很難對(duì)半導(dǎo)體特性�(jìn)行控�,因此實(shí)際應(yīng)用不��