第5节 电子和“空穴” (修订中)
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与金属相比，纯半导体 (opens new window)是相对较好的绝缘体，尽管不如玻璃等真正的绝缘体好。为了在半导体应用中有用，本_[征半导体](https://www.allaboutcircuits.com/video- (opens new window)_
# 0.1. 电子结构
下图 (a) 显示了半导体价壳中的四个电子与其他四个原子形成共价键。这是上图的扁平化、更易于绘制的版本。一个原子的所有电子都绑定在四个共价键中，即成对的共享电子。电子不能在晶格周围自由移动。因此，与金属相比，本征纯半导体是相对良好的绝缘体。
(a) 本征半导体是具有完整电子壳的绝缘体。(b) 然而，热能可以产生很少的电子-空穴对，导致弱传导。
如上图 (b) 所示，热能有时可能会从晶格中释放电子。该电子在晶格周围自由传导。当电子被释放时，它会在晶格中留下一个带正电荷的空点，称为_空穴_。这个孔不是固定在格子上的；但是，可以自由移动。自由电子和空穴都有助于晶格周围的传导。也就是说，电子在落入空穴之前是自由的。这称为_重组_. 如果对半导体施加外部电场，则电子和空穴将以相反的方向传导。温度升高会增加电子和空穴的数量，从而降低电阻。这与金属相反，金属通过增加电子与晶格的碰撞，电阻随温度增加。本征半导体中的电子数和空穴数相等。然而，两个载体在施加外场时不一定以相同的速度运动。另一种说法是电子和空穴的_迁移率_不同。
# 0.2. 半导体杂质
纯半导体本身并不是特别有用。但是，在添加特定杂质之前，必须将半导体精炼到高纯度作为起点。
半导体材料纯度为 100 亿分之一，可能会添加大约 1000 万分之一的特定杂质，以增加载流子的数量。将所需杂质添加到半导体中称为_掺杂_。掺杂增加了半导体的导电性，因此它与金属相比更接近绝缘体。
通过掺杂像磷这样的电子_供体_，可以增加半导体晶格内的负电荷载流子的数量。电子供体，也称为_N 型_掺杂剂，包括元素周期表 VA 族的元素：氮、磷、砷和锑。氮和磷是金刚石的 N 型掺杂剂。磷、砷和锑与硅一起使用。
下图 (b) 中的晶格包含在外壳中具有四个电子的原子，与相邻原子形成四个共价键。这是预期的晶格。与硅原子相比，在外壳中添加一个具有五个电子的磷原子会在晶格中引入一个额外的电子。五价杂质用五个电子中的四个与四个硅原子形成四个共价键，在剩下一个电子的情况下适合晶格。请注意，这个备用电子不像普通硅原子的电子那样牢固地结合到晶格上。它可以在晶格周围自由移动，不受磷晶格位点的束缚。由于我们在 1000 万个硅原子中掺杂了一部分磷，因此与众多的硅原子相比，产生的自由电子很少。然而，与本征硅中较少的电子-空穴对相比，产生了许多电子。施加外部电场在导带（价带之上）的掺杂半导体中产生强传导。更重的掺杂水平产生更强的传导。因此，导电性差的本征半导体已转化为良好的电导体。
(a) 供体 N 型磷、硅（供参考）和受体 P 型硼的外壳电子构型。(b) N 型施主杂质产生自由电子 (c) P 型受主杂质产生空穴，即正电荷载体。
还可以引入与硅相比缺乏电子的杂质，在价壳中具有三个电子而硅为四个。在上图 (c) 中，这会留下一个称为_孔的空点_, 一个正电荷载体。硼原子试图与四个硅原子结合，但在价带中只有三个电子。在试图形成四个共价键时，三个电子四处移动以试图形成四个键。这使得洞看起来在移动。此外，三价原子可以从相邻（或更远）的硅原子借用电子以形成四个共价键。然而，这使得硅原子缺少一个电子。换句话说，空穴已经移动到相邻（或更远）的硅原子。空穴位于价带中，低于导带的水平。掺杂电子_受体_，一个可以接受电子的原子，会产生电子不足，就像空穴过多一样。由于空穴是正电荷载体，因此电子受体掺杂剂也称为_P 型_掺杂剂。P 型掺杂剂使半导体带有过量的空穴、正电荷载体。元素周期表第 IIIA 族的 P 型元素包括硼、铝、镓和铟。硼用作硅和金刚石半导体的 P 型掺杂剂，而铟与锗一起使用。
下图中与电子传导类似的“管中的大理石”将空穴的运动与电子的运动联系起来。大理石代表导体管中的电子。电子在导线或 N 型半导体中从左向右运动的原因是电子从左侧进入管子，迫使右侧电子离开。N型电子的传导发生在导带中。将其与价带中空穴的运动进行比较。
管中的大理石类比： (a) 当电子进入管时，电子在导带中向右移动。(b) 当电子向左移动时，空穴在价带中向右移动。
要使空穴进入上图 (b) 的左侧，必须移除一个电子。当从左向右移动一个空穴时，电子必须从右向左移动。第一个电子从管的左端射出，这样空穴就可以向右移动到管中。电子沿与正空穴相反的方向运动。随着空穴向右移动，电子必须向左移动以容纳空穴。由于 P 型掺杂，价带中没有电子的空穴。它具有局部正电荷。为了使空穴向给定方向移动，价电子向相反方向移动。
N 型半导体中的电子流动类似于在金属线中移动的电子。N 型掺杂剂原子将产生可用于传导的电子。由于掺杂剂，这些电子被称为_多数载流子_，因为与极少数热空穴相比，它们占多数。如果在下图 (a) 中的 N 型半导体棒上施加电场，电子进入棒的负（左）端，穿过晶格，并在右侧离开（+）电池端子。
(a) 电子在晶格中从左向右移动的 n 型半导体。(b) 空穴从左向右移动的 p 型半导体，对应于电子向相反方向移动。
P 型半导体中的电流流动有点难以解释。P 型掺杂剂是一种电子受体，会产生称为空穴的局部正电荷区域。P型半导体中的多数载流子是空穴。虽然在三价掺杂剂原子位置形成空穴，但它们可能会在半导体棒周围移动。请注意，上图（b）中的电池与（a）相反。电池正极端子连接到 P 型棒的左端。电子从电池负极流出，通过 P 型棒，返回到电池正极。离开用于正极电池端子的半导体棒的正极（左）端的电子会在半导体中留下一个孔，该孔可能会向右移动。孔从左到右穿过晶格。在酒吧的负端，来自电池的电子与空穴结合，将其中和。这为另一个孔在杆的正端向右移动提供了空间。请记住，当空穴从左向右移动时，实际上是电子向相反方向移动，这导致了明显的空穴移动。
# 0.3. 用于生产半导体的元素
下图总结了用于生产半导体的元素。最古老的 IVA 族块状半导体材料锗今天仅在有限的范围内使用。硅基半导体约占所有半导体商业生产的 90%。金刚石基半导体是目前具有相当大潜力的研究和开发活动。未列出的化合物半导体包括硅锗（Si 晶片上的薄层）、碳化硅和 III-V 族化合物，例如砷化镓。III-VI族化合物半导体包括AlN、GaN、InN、AlP、AlAs、AlSb、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、InSb、Al x Ga 1-x As和In x Ga 1-x作为。元素周期表的第 II 和 VI 列（图中未显示）也形成化合物半导体。
IIIA 族 P 型掺杂剂、IV 族基础半导体材料和 VA 族 N 型掺杂剂。
上图中包含 IIIA 和 VA 族的主要原因是为了显示与 IVA 族半导体一起使用的掺杂剂。IIIA 族元素是受体，即 P 型掺杂剂，它接受电子，在晶格中留下一个空穴，即正载流子。硼是金刚石的 P 型掺杂剂，也是硅半导体最常见的掺杂剂。铟是锗的 P 型掺杂剂。
VA 族元素是施主、N 型掺杂剂，产生自由电子。氮和磷是适合金刚石的 N 型掺杂剂。磷和砷是硅最常用的 N 型掺杂剂；但是，可以使用锑。
# 1. 总结
- 本征半导体材料，纯度为 100 亿分之一，是不良导体。
- N型半导体掺杂五价杂质以产生自由电子。这种材料是导电的。电子是多数载流子。
- 掺杂三价杂质的 P 型半导体具有丰富的自由空穴。这些是正电荷载体。P型材料是导电的。孔是多数载流子。
- 大多数半导体基于元素周期表第IVA族的元素，硅是最普遍的。锗几乎已经过时了。正在开发碳（金刚石）。
- 碳化硅（IVA族）和砷化镓（III-V族）等化合物半导体被广泛使用。
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