1.1.2本征半导体

原子由原子核和电子构成，原子核由带正电的质子和不带电的中子构成，电子带负电并围绕原子核旋转。电子以不同的距离在核外分层排布，距核越远，电子的能量越高，最外层的电子被称为价电子，物质的化学性质就是由价电子的数目决定的。由于现在所用的半导体材料仍然主要是硅和锗,所以在这里只讨论硅和锗的原子结构，图1-1所示是硅和锗的原子结构简化模型。硅和锗的外层电子都是4个，它们是四价元素。随着原子间的相互靠近，价电子相互作用并形成晶体。晶体的最终结构是四面体，每个原子(硅或锗)周围都有4个临近的(硅或锗)原子，分布在两个原子间的价电子构成共价键，

                                                                                                    图1-1硅和锗的原子结构简化模型                    图1-2所示是硅和锗四面体结构

硅和锗四面体结构一般用二维平面图来表示，图1-3所示是硅和锗晶体结构平面图。在晶体结构中，通过电子运动，每一半导体原子最外层的4个价电子与相邻的4个半导体原子的各一个价电子组成4对共价键，并按规律排列，图中的原子间每条线代表一个价电子。本征半导体就是以上所说的一种纯净的半导体晶体。在热力学温度T=0K(-273℃)无外部激发能量时，每个价电子都处于最低能态，价电子没有能力脱离共价键的束缚.没有能够自由移动的带电粒子，这时的本征半导体被认为是绝缘体。当价电子在外部能量(如温度升高、光照)作用下，一部分价电子脱离共价键的束缚成为自由电子，这一过程叫本征激发。自由电子是带负电荷量的粒子，它是本征半导体中的一种载流子。在外电场作用下，自由电子将逆着电场方向运动形成电流。载流子的这种运动叫漂移，所形成的电流叫漂移电流。价电子脱离共价键的束缚成为自由电子后，在原来的共价健中便留下一个空位，这个空位叫空穴。空穴很容易被邻近共价键中跳过来的价电子填补上，于是在邻近共价键中又出现新的空穴，这个空穴再被别处共价键中的价电子来填补;这样，在半导体中出现了价电子填补空穴的运动。在外部能量的作用下，填补空穴的价电子作定向移动也形成漂移电流。但这种价电子的填补运动是由于空穴的产生引起的，而且始终是在原子的共价键之间进行的，它不同于自由电子在晶体中的自由运动。同时，价电子填补空穴的运动无论在形式上还是在效果上都相当于空穴在与价电子运动相反的方向上运动。为了区分电子的这两种不同的运动，把后一种运动叫做空穴运动，空穴被看作带正电荷的带电粒子，称它为空穴载流子。图1-4所示是半导体中的两种载流子。