2.1  硅半导体物理性质的基本内容

硅是Ⅳ族元素，它的结晶是金刚石结构。Ⅳ族意味着在原子最外层的电子壳层上有4个电子。然而，满足外层壳层有8个电子是必要的，因为处于这种状态时原子结构非常稳定。在金刚石结构中，中心原子和4个相邻的原子共享电子，形成稳定的晶体结构。图2.1从概念上显示了纯净的硅晶体结构，各原子由于与相邻原子互相结合而具有8个外层电子。

图2.1 显示硅晶体结构和热激励作用产生电子-空穴对的概念图

^[1] 新类型的器件仍在开发中，例如GIT（Gate Injection Transistor，门极注入晶体管）之类的器件还在发展中，本书不得不舍弃了这些描述。

常温时硅晶体晶格进行热振动，各自晶体晶格的振动能量遵循一定的法则随机分布，极少数晶格可能拥有非常高的振动能量。对于高振动能量的晶格会随机地放出所结合的电子，这种现象称为晶格的热激励（thermal excitation）。被激励的电子摆脱晶格的束缚，因其可以在硅晶体内自由移动，所以称为自由电子（free electron）。另一方面，电子脱离后的原子形成了拥有正电荷的晶体晶格，一般称它为空穴（hole）。空穴可以从邻近的晶格得到电子，因此空穴会不断地依次在硅晶体内移动，仿佛正电荷粒子在自由移动。

若给半导体外加电压，则这些自由电子和空穴会在电场方向上移动，从而引起导电，所以将它们称为载流子（carrier）。另外，要特别说明一下热激励作用形成的载流子是本征载流子（intrinsic carrier），与后面所说的添加杂质的载流子有所区别。

半导体内的两种本征载流子通常情况下数量相同，半导体保持电中性状态。1cm³单位的硅原子数大约为5.0×10²²个，27℃（300K）时本征载流子密度约为1.2×10¹⁰个，后面要说明的器件的杂质载流子密度一般约为10¹⁵～10¹⁹个，所以本征载流子对导电性能的贡献极小。(https://www.daowen.com)

然而，200℃时本征载流子的密度约增加到1.2×10¹⁴个，接近于添加杂质时的载流子密度，此时开关器件会失去基于载流子控制的电流特性，所以硅构成的开关器件使用极限温度大概在200℃以下，即150℃左右。顺便说一下，半导体温度下降，热激励会减少，本征载流子的电气导电性也减弱，这是硅被称为半导体的由来^[1]。

给纯度高的硅晶体中添加杂质，可以改变半导体性质，例如，添加Ⅴ族的杂质砷（As）后，若拥有5个外层电子的砷原子形成共价键，则会剩余1个电子，如图2.2a所示，额外的电子被砷原子以非常弱的结合力束缚着，稍稍热激励一下，其电子便会脱离砷原子而变为自由电子，剩余的砷原子构成了1价的阳离子晶体晶格。因为自由电子是由这个阳离子给予的，所以称这个阳离子为供体（donor），主要由于供体给予的自由电子而产生导电性的半导体被称为n型半导体。

另一方面，向硅晶体中添加Ⅲ族元素，例如硼（B）形成结晶时，硼原子晶体晶格的最外层只有3个电子，它很容易从外部获得1个电子来构成完整的壳层。图2.2b所示为从邻近晶格获得电子的情况，其结果是晶体晶格的硼原子变为负离子，而在其附近的晶格形成空穴，该空穴成为对导电有贡献的载流子。因为作为杂质晶体晶格的硼原子接受了电子，所以它被称为受体（acceptor）。作为受体的半导体主要由于空穴而拥有了导电性，因此称它为p型半导体。

^[1] 一般的导体随着温度下降电阻减少，通常电导率会增加。

图2.2 添加杂质的n型、p型半导体概念图

一般将添加杂质而形成的载流子称为杂质载流子，它与本征载流子的数量相比通常多出几个数量级，例如，p型半导体中空穴的数量比本征半导体的空穴数量（与本征电子数量相同）多几个数量级，因此，此时空穴是多数载流子（ma-jority carrier），而（本征）电子成为少数载流子（minority carrier）。对于n型半导体，空穴和电子的说法刚好相反。