第1章 半导体材料
1.1 引言
半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。与电阻材料中的颗粒状结构不同,半导体材料具有晶体结构,其导电性能是通过半导体原子中的复杂量子力学特性来确定的,这些原子在半导体中是呈周期性排列的。对于很多元素来说,晶体结构使原子的受束缚电子和自由电子(例如,不受束缚于原子的电子)能级之间产生了一个能带,该能带直接影响着晶体中与原子相关的电子成为载流子(即自由电子)的机制。半导体的导电性能与载流子的密度成正比,自由载流子密度的变化范围很广;我们可以将本征��导体中的很小一部分原子(大约百万分之一)替换成其他不同类型的原子(即掺杂原子),这样就可以改变自由载流子的密度。多数载流子的密度与掺入的杂质密度直接相关。通过在晶体中选择性地掺入其他元素,晶体就可以实现不同的导电性能。另外,载流子密度(自由电子的密度)由掺人的施主杂质决定,而与自由电子相对应空穴的密度则由掺入的受主杂质决定(在这类半导体中空穴数是自由电子数的两倍)。因此,可以通过掺入杂质的类型来区分半导体的类型(N型半导体:自由电子密度远远大于空穴密度;P型半导体:空穴密度远远大于自由电子密度)。
如果施加合适的电场,半导体中的中间微小区域可以处于一种所有载流子(电子和空穴)都被电场驱逐的状态,而电场则由裸露的掺杂离子维持。这样,在导电状态(可变的电阻率)和非导电状态(导电性随着载流子的消失而消失)之间就可以形成一个电子开关。
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