半导体材料：常见问题汇总

什么是半导体的能带理论？

价带理论的提出发生在量子革命期间。沃尔特·海特勒和弗里茨·伦敦共同发现了能带。

我们知道原子中的电子以不同的能级存在。当我们试图用N个原子组合一个固体的晶格时，那么原子的每一层必须在固体中分解成N层。这种尖锐而紧密排列的能级的分裂形成了能带。代表一系列不含电子的能量的相邻带之间的间隙称为带隙。

图1：半导体、导体和绝缘体能带图

价带

包含价电子能级的能带称为价带。它是最高的能量带。与绝缘体相比，半导体的带隙更小。它允许价带中的电子在接受任何外部能量时跃入导带。

导带

它是包含正电荷（空穴）或负电荷（自由电子）载流子能级的最低未占据带。它有导电的电子，导致电流流动。导带具有较高的能级，一般为空导带。半导体中的导带可以接受价带的电子。

半导体材料都有什么性质？

半导体在良好的条件或环境下可以导电。因为可以按照要求以可控的方式导电，半导体也成为一种极好的材料。

与导体不同，半导体中的载流子只因为外部能量（热搅动）而产生。它导致一定数量的价电子越过能隙，跃入导带，留下等量的未占据的能态，即空穴。由电子和空穴引起的传导同样重要。

l电阻率：10-5 ~ 106 Ωm
l电导率：105 ~ 10-6 mho/m
l电阻温度系数：负
l电流流动方式：电子和空穴

什么是半导体的费米能级？

在价带和导带之间存在费米能级（用Ef表示）。它是绝对零度时被占据的最高分子轨道。这种状态下的载流子有自己的量子态，通常不相互作用。当温度高于绝对零度时，这些载流子将开始占据高于费米能级的态。

在p型半导体中，未填充态的密度增加。因此，能在较低能级容纳更多的电子。然而，在n型半导体中，态密度增加，因此，在更高的能级容纳更多的电子。

为什么半导体的电阻率随温度升高而下降?

导体和半导体之间的电阻率差异是由于它们的载流子密度的不同。半导体的电阻率随着温度的升高而降低，因为载流子的数量随着温度的升高而迅速增加，使得分数变化即温度系数为负。

常见半导体类型有哪些？

半导体可分为：

本征半导体（Intrinsic Semiconductor）

非本征半导体（Extrinsic Semiconductor）

图2：半导体的分类图

本征半导体
完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体，它只由一种类型的元素组成。

图3：本征半导体的传导机理图：（a）无电场时（b）有电场时

锗（Ge）和硅（Si）是最常见的本征半导体元素类型。它们有四个价电子（四价电子）。它们在绝对零度下以共价键与原子结合。

当温度升高时，由于碰撞，大部分电子都挣脱了限制，在晶格中自由移动，从而在其原来的位置（空穴）产生了缺失。这些自由电子和空穴有助于半导体中的导电。负电荷和正电荷的载流子数量相等。

图4：本征半导体能带图

非本征半导体

半导体的导电性可以通过引入少量替代原子而大大提高。向纯半导体中添加替代原子的过程称为掺杂。通常，在107个原子中只有1个原子被掺杂半导体中的掺杂原子所取代。非本征半导体可进一步分类为N型半导体和P型半导体。

图5：非本征半导体分类

N型半导体

• 电子为主要载流子
• I = Ih和nh> > ne

当一个纯半导体（硅或锗）被五价杂质（P, As, Sb, Bi）掺杂时，五个价电子中的四个电子与 Ge或 Si 的四个电子成键。掺杂剂的第5个电子被释放。因此，杂质原子在晶格中为传导提供了一个自由电子。由于自由电子的数量随着杂质的加入而增加，负电荷载流子也随之增加。因此，它被称为n 型半导体。

晶体作为一个整体是中性的，但是给体原子变成了一个不移动的正离子。由于传导是由于大量的自由电子，n 型半导体中的电子占据多数载流子，空穴是少数载流子。

P型半导体

• 空穴为主要载流子

• I = Ih和nh> > ne

当一个纯半导体被三价杂质（B, Al, In, Ga）掺杂时，杂质的三个价电子与半导体的四个价电子中的三个成键。这就在杂质中留下了缺少电子（空穴）的现象。这些准备接受成键电子的杂质原子被称为“受体”。

随着杂质数量的增加，空穴（正电荷载流子）也会增加。因此，它被称为p型半导体。晶体作为一个整体是中性的，但受体变成了一个不移动的负离子。由于传导是由于大量空穴，所以p型半导体中的空穴是占据了多数载流子，电子是 少部分载流子。

为什么在室温下半导体的价带是部分充满的?

对于半导体，在绝对零度时，导带是空的，价带完全被填满。在这个温度下，价带的电子不能越过传导带。但在室温下，只要能带带隙够小（如1ev），价带中的一些电子就可以跃迁到导带，从而导带上也逐渐充满电子。

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