2022-03-20 08:54:53 来源 : 与非网
原子包括原子核和电子，电子绕着原子核转。
最外层的电子，被称为"价电子"。外层价电子是否完备决定了原子的化学性质。
比如说：
氖， 最外层有8个电子，已经占满了最外层能带，所以，很难发生化学反应。
钠，最外层只有1个电子，很容易失去；氯，最外层有7个电子，则很容易接收；因此这两种都很容易发生化学反应。
那如果8个价电子很难发生化学反应，1个价电子则很容易，所以就来看看如果价电子为4个呢？
而我们常用的半导体材料Si就是符合这个特性。
Si，元素周期表中第14号元素，共有14个电子，最里层2个，第二层8个，最外层4个。
所以硅原子有4个价电子，所以如果处理得当的话，硅能形成一种晶体结构，每一个硅原子周围都被其他四个硅原子包围。
这样，每个原子和他周围的四个邻居共享一个价电子，这样每个硅原子就都有了8个电子。
而这种由于共享价电子形成的连接，被称为"共价键".
那这种材料特性又有什么意义呢？在说这个之前，先看一下另一个概念，就是“空穴”。
"空穴"，英文是holes，就是当共价键中的电子由于某种原因离开共价键时，留下的一个空位置。而这个空位置，则随时准备接收自由电子。
当自由电子离开共价键形成空穴时，"电子-空穴"对产生；当自由电子进入空穴形成共价键时，“电子-空穴”重新结合。
分析半导体器件特性时，经常会说空穴移动形成电流，但是，其实本质上是因为电子的移动，形成空穴。
就像上图所示：
假设在t1时刻，在1处形成一空穴；
但是在t2时刻，共价键2中的电子变成自由电子，与1结合，形成空穴；
在t3时刻，共价键3中的电子变成自由电子，与2结合，形成空穴。
所以从表面看，空穴从左向右移动；其实本质上，是电子在移动。
电子不是随随便便就能从共价键中脱离出来，脱离需要一个最小能量，这个最小能量称之为"带隙能量"。
“带隙能量"是材料的一个基本特性，用Eg表示。Si的Eg=1.12eV。
而在给定温度下，自由电子的密度，可以由下面公式表示。
从上面的公式，我们可以了解到：
Eg大的则比较倾向于绝缘体，而Eg小的则比较倾向于导体；但是这两种，又会因为温度的变化，相互转化。
而Si在常温下，自由电子是很少的，大多数都在共价键中。纯硅呈现高阻特性，但是这种高阻特性可以通过一种手段打破。
这种手段，就叫做“掺杂”，英文称之为dope。可以通过掺杂，来改变Si的导电特性。
掺杂，就是用其他材料的原子来替换硅晶体中的一些原子。掺杂材料价电子的数目的不同(以4为界限)，掺杂产生的半导体类型也不同。
比如说，元素周期表中15号元素，磷。他的价电子数为5，比Si多一个，所以，当用它来替换Si原子的时候，会多出来一个电子无处可去，形成自由电子。
这种掺杂产生的是N型半导体，电子称为多子，空穴称为少子。
比如说，元素周期表中5号元素，硼。他的价电子数为3，比Si少一个。所以，当用它来替换Si原子的时候，会有一个共价键没有填满，形成空穴。
这种掺杂产生的是P型半导体，电子称为少子，空穴称为多子。
参考文献：razavi-Fundamentals of Microelectronics
标签： 半导体材料
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