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