一 基本知识:导电靠什么
材料是否可以导电,取决于内部有没有大量自由移动 的电荷,这类电荷统称为载流子。电流的大小正比于载流子的浓度与迁移率(它们跑的有多快)。其公式如下:
上式中:
------电导率;
q------电子电量;
n、q------自由电子和空穴的浓度;
、
------迁移率。
后文中,会明确分析n和p是怎么来的。
金属、绝缘体与半导体之间的载流子情况分析见下表。
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| 材料 | 载流子情况 | 典型表现 |
| 金属 | 每个原子贡献自由电子,浓度约为~
,基本不随温度变化 | 导电极好 |
| 绝缘体 | 电子都被牢牢束缚,几乎没有自由电荷 | 几乎不导电 |
| 半导体 | 常温下有少量自由电荷,且数量能被温度、光照、掺杂改变 | 导电能力介于两者之间,可调控 |
[表1 金属、绝缘体与半导体载流子比对表]
金属、半导体与绝缘体之间的能带如图1所示。
图1 金属、半导体与绝缘体能带示意图
根据能带与图1可知,半导体想要从价带跨到导带,就需要得到1.1eV的能量。
二 本征半导体的结构
"本征"------纯净、不含杂质、晶格完整。最典型的就是硅(Si)和锗(Ge)。
2.1 化学角度:价电子与共价键
- 根据化学知识可知,硅是14号元素,电子排布为2-8-4,最外层有4个价电子;锗(Ge)为32号,结构为2-8-18-4,所以锗的最外层电子也是4个。化学性质主要由外层电子决定。
- 原子倾向于让最外层凑成8个电子(稳定结构)。硅的办法是和4个相邻原子各共用一对电子,形成4个共价键。
- 每个硅原子都被4个邻居包围,呈正四面体排布,整块晶体是金刚石型结构。每个原子都"觉得"自己有8个电子,所以结构很稳定,而且电子都被锁在键里。
在绝对零度(0K):所有共价键完好,如图2所示。

图2 在绝对零度(0K)时,Si的内部结构图
有热能时,个别共价键会被破坏,就会出现电子挣脱原子的束缚,形成自由电子,相应的,会呈现出一个空穴出来,如图3所示。

图3 有热能时,个别共价键被破坏时的内部图
2.2 物理角度
孤立原子的电子能级是分立的。当量级的原子靠在一起形成晶体,能级相互作用,展宽成连续的"带":
- 价带:被束缚在共价键里的单子所处的能量范围;
- 导带:挣脱束缚、能自由运动的电子所处的能量范围;
- 禁带(带隙E):二者之间电子不能存在的能量空隙。
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| 材料 | 室温带隙Eg | 说明 |
| 锗(Ge) | 约0.67eV | 带隙小,室温下载流子较多,对温度更敏感 |
| 硅(Si) | 约1.12eV | 最主流的半导体材料 |
| 碳化硅(4H-SiC) | 约3.2eV | 宽禁带半导体,耐高温、耐高压 |
| 金刚石(绝缘体) | 约5.5eV | 电子几乎无法跃迁 |
总结:根据上述视角可以得出:(化学说法)"打断一个共价键"=(物理说法)"一个电子从价带跳到导带"。
三 本征半导体怎么导电:电子-空穴对
3.1 在0K:绝缘体
绝对零度没有热能,电子全部待在价带,共价键完好;价带被填满,电子没有空穴可以移动;导带里一个电子都没有。此时,本征半导体等同于绝缘体。
3.2 有热能时:电子-空穴对成对出现
晶格原子永远在做热运动。偶尔,一个共价键上的电子从热运动中拿到≥Eg的能量,挣脱共价键 ,成为自由电子(导带电子),它原来的位置留下一个空穴。

上述所说的空穴应该怎么理解:空穴不是一个真正的粒子,而是自由电子挣脱共价键的束缚后,从价带跨越到导带,然后再该自由电子处就留下了一个空穴。一般来说,将空穴当作一个带正电、可以移动的载流子来处理。
3.2 产生与复合:动态平衡
与产生相反,自由电子遇到空穴会重新落入键中并释放能量,叫作复合 。在某一温度下,产生速率=复合速率,载流子浓度保持稳定,这个稳定值叫本征载流子浓度。因为电子和空穴成对出现,所以有:
四 温度对本征半导体的影响:多温度分析
4.1 不同温度下的情形

4.2 定量规律:为什么是"指数"增长
本征载流子浓度ni为什么随温度指数增长?载流子的浓度公式为:
∝
上式中:
T------温度,开尔文(必须使用开尔文);
Eg------禁带宽度,也就是电子想要从价带到导带所具备的能量,Si为1.12eV;
k------玻尔兹曼常数,为8.617×10^(-5)eV/K,一个固定的小数字;
根据上述的分析中,最关键的就是玻尔兹曼因子,也就是:,玻尔兹曼因子的物理意义就是:在温度T下,一个电子凑巧攒够Eg这么多能量、能跨越门槛去导电的概率。
根据上述公式计算:
step1:室温300K时,Eg/2kT=1.12/(2×0.026)≈21.6;exp(-21.6)≈4×10^(-10);
step2:室温400K时,Eg/2kT≈16.3;exp(-16.3)≈9×10^(-8);
step3:根据step1与step2的分析,温度上升100K时,玻尔兹曼因子直接涨了约200倍,如果再乘前面的温度系数因子,总共涨了300多倍。
结论:温度只从300K升到400K(涨了33%),载流子数量却涨了300多倍。这就是指数增长。
开尔文温度与摄氏度关系见下表。
| 开尔文 K | 摄氏度 °C | 说明 |
|---|---|---|
| 300 K | 26.85 °C | 约等于室温 27°C,夏天室内温度 |
| 400 K | 126.85 °C | 比开水还烫 26 度,芯片高温工作场景 |
| 每升高 9 K | 每升高 9 °C | 温差刻度一样,K 和 °C 的 "1 度" 大小相同 |
4.3 为什么电阻随温度下降?与金属对比
温度升高对导电有两个相反的影响:
- 载流子增多(半导体里是指数级增加)→有利于导电;
- 晶格振动更剧烈,散射增强,迁移率下降→不利于导电。
所以在金属 里,载流子浓度几乎不变,只剩下"迁移率下降",所以金属的电阻会随温度升高而升高;但是在半导体中,指数增长的载流子压倒了幂函数下降的迁移率,所以电阻随温度的升高而下降(负温度系数)。
综上:为什么本征半导体不够好?
- 导电能力太弱:载流子太少;
- 不可控:载流子完全由温度决定,温度一变,性能剧烈漂移,做不成稳定的器件。
五 为什么需要杂质半导体
针对上述4.3中结论的因素,我们希望:
- 提高导电能力:增加载流子数量;
- 导电性应该可控:载流子数量由人为设计决定,而不是由温度决定。
5.1 掺什么杂质?为什么?
半导体一般为硅(Si)与锗(Ge),根据共价键的特性来看,掺杂两者元素左右的元素是最好的,根据化学中的元素周期表可知:在Si和Ge左右两边相邻的族为:3价(硼、铝、镓、铟)与5价(磷、砷、锑)。选择他们有两个理由:
- 大小合适:原子半径与硅接近,能直接替代硅原子的位置(替位式掺杂),不会严重破坏晶格;
- 价电子数差 1:5价族比硅多 1 个价电子,3价族比硅少 1 个价电子,刚好能"多给一个电子"或"缺一个电子。

5.2 掺杂之后发生什么?
掺杂之后N型(掺磷)与P型(掺硼)的共价键示意图如下。

5.2.1 N型半导体
磷为5个价电子。将其占据硅的位置后,如上图的(a),4个价电子与邻居成键,多出的第5个电子没有键可去,只受磷原子核的微弱吸引。这个磷原子核的束缚极弱,在硅中的电离只有约0.045eV,远小于带隙1.12eV。在室温下,电子就可以跃过导带。磷原子失去电子后成为固定不动的正离子,所以整块材料仍然显电中性。在N型半导体中,电子为多数载流子(多子),空穴是少数载流子(少子)。N代表的是Negative(负电荷载流子,因为是自由电子,电子呈现的是负)。
5.2.2 P型半导体
硼具有3个价电子,将其占据硅的位置后,如上图的(b),会呈现3个完整的键,第4个键缺一个电子,这个缺位就是空穴。而邻近的价带电子只需要0.045eV就能来填补,相当于在价带上方有一条受主能级。在P型半导体中,空穴是多子,电子是少子。P代表的是Positive。
5.3 杂质半导体与温度的关系
杂质半导体的载流子主要有两个来源:
| 来源 | 是什么 | 对温度的敏感度 |
|---|---|---|
| 杂质电离 | 施主的第 5 个电子挣脱束缚,变成自由电子 | 低温时敏感,温度够了就全部电离完了 |
| 本征激发 | 硅原子本身的电子获得能量,产生电子 - 空穴对 | 对温度极其敏感(指数增长,上一张图讲过) |
第①段:低温"冻结区"
温度很低,热能太少。掺杂的杂质(磷或硼)多余的电子(或空穴)虽然"多余",但是还是会被磷原子(或硼原子)微弱的束缚着,大部分还不会挣脱,只有一小部分电离了。
载流子浓度n:温度升高一点,就有更多施主电子被"热醒"挣脱出来,所以n随温度升高而增加。
第②段:饱和区(工作区)
温度升高到一定程度(比如室温),所有施主的第5个电子都挣脱了,全部电离完成。但温度还不够高,硅原子的本征激发还很弱,可以忽略不计。
载流子浓度n:
- 施主全部电离了,所有自由电子数≈施主浓度Nd;
- 温度再升高,施主已经全部电离完了,不会再增加电子;
- 本征激发还没出来;
- 所以n基本不变,n≈Nd。
为什么叫作工作区:因为这是半导体器件正常工作的温度范围。在这个区间里,载流子浓度最稳定,器件性能可控。我们设计电路时,就是假设工作在这个区。
第③段:本征区(高温)
温度继续升高,本征激发开始爆发。在第四节中分析过,本征载流子浓度是随温度指数增长的,温度一高,电子-空穴对大量涌现,数量很快就超过了掺杂提供的载流子。
载流子浓度:
- 本征激发产生的电子和空穴是成对出现的,所以n≈p;
- 数量随温度指数增长;
- 掺杂的效果被淹没了,半导体又变得像"本征半导体一样"。
温度太高,半导体器件会失效,因为掺杂本来是为了精准控制导电类型和浓度,结果本征激发把一切都打乱了。所以芯片都有工作温度上限,超过就可能出现问题。