什么是本征半导体和本征半导体 - 能带和掺杂？

半导体，顾名思义是一种兼具导体和绝缘体特性的材料。 半导体材料需要一定水平的电压或热量来释放其载流子进行传导。 这些半导体根据载流子的数量分为“本征”和“外在”。 本征载流子是最纯净的半导体形式，具有相同数量的电子（负电荷载流子）和空穴（正电荷载流子）。 使用最广泛的半导体材料是硅 (Si)、锗 (Ge) 和砷化镓 (GaAs)。 让我们研究这些类型的半导体的特性和行为。什么是本征半导体？本征半导体可以定义为化学纯材料，没有添加任何掺杂或杂质。 最常见的本征或纯半导体是硅 (Si) 和锗 (Ge)。 半导体在施加一定电压时的行为取决于其原子结构。 硅和锗的最外层各有四个电子。 为了稳定彼此附近的原子，基于共享价电子形成共价键。 硅晶格结构中的这种键合如图 1 所示。在这里可以看出，两个硅原子的价电子配对在一起形成共价键。 图 1. 硅原子的共价键所有共价键都是稳定的，没有载流子可用于传导。 这里本征半导体表现为绝缘体或非导体。 现在，如果环境温度接近室温，共价键就会开始断裂。 因此，来自价壳层的电子被释放以参与传导。 随着更多数量的载流子被释放用于传导，半导体开始表现为导电材料。 下面给出的能带图解释了载流子从价带到导带的这种跃迁。能带图图 2(a) 中所示的能带图描绘了两个能级，导带和价带。 两条带之间的空间称为禁带 图2(a)。 能带图 图 图2（b）。 半导体中的传导和价带电子 当半导体材料受热或施加电压时，很少有共价键断裂，从而产生如图 2 (b) 所示的自由电子。 这些自由电子被激发并获得能量以克服禁带并从​​价带进入导带。 当电子离开价带时，它会在价带中留下一个空穴。 在本征半导体中，总是会产生相同数量的电子和空穴，因此它表现出电中性。 电子和空穴都负责在本征半导体中传导电流。什么是本征半导体？本征半导体定义为添加杂质或掺杂半导体的材料。 掺杂是故意添加杂质以增加载流子数量的过程。 使用的杂质元素称为掺杂剂。 由于外在导体中电子和空穴的数量更多，因此它比本征半导体表现出更大的导电性。 根据使用的掺杂剂，外在半导体进一步分为“N 型半导体”和“P 型半导体”。N 型半导体：N 型半导体掺杂有五价杂质。 五价元素之所以被称为，是因为它们的价壳中有 5 个电子。 五价杂质的例子是磷 (P)、砷 (As)、锑 (Sb)。 如图 3 所示，掺杂剂原子通过与四个相邻的硅原子共享其四个价电子来建立共价键。 第五个电子仍然与掺杂剂原子的原子核松散结合。 释放第五个电子所需的电离能非常少，因此它离开价带并进入导带。 五价杂质赋予晶格结构一个额外的电子，因此它被称为施主杂质。图 3. 带有施主杂质的 N 型半导体 P 型半导体：P 型半导体掺杂了三价半导体。 三价杂质在它们的价壳中有 3 个电子。 三价杂质的例子包括硼(B)、镓(G)、铟(In)、铝(Al)。 如图 4 所示，掺杂剂原子仅与三个相邻的硅原子建立共价键，并在与第四个硅原子的键合中产生一个空穴或空位。 空穴充当电子占据的正载流子或空间。 因此，三价杂质赋予了一个正空位或空穴，可以很容易地接受电子，因此它被称为受体杂质。  图 4. 具有受主杂质的 P 型半导体本征半导体中的载流子浓度本征载流子浓度定义为导带中每单位体积的电子数或价带中每单位体积的空穴数。 由于施加的电压，电子离开价带并在其位置产生正空穴。 该电子进一步进入导带并参与电流的传导。 在本征半导体中，导带中产生的电子等于价带中的空穴数。 因此，电子浓度 (n) 等于本征半导体中的空穴浓度 (p)。 本征载流子浓度可表示为：n_i=n=p 其中，n_i : 本征载流子浓度 n : 电子载流子浓度 p : 空穴-载流子浓度本征半导体的电导率当本征半导体受热或施加电压时，电子从价带移动到导带并在价带中留下正空穴或空位。 随着更多的共价键被破坏，这些空穴再次被其他电子填充。 因此，电子和空穴以相反的方向行进，本征半导体开始导电。 当许多共价键断裂时，电导率增加，从而释放出更多的电子空穴进行传导。 本征半导体的电导率用电荷载流子的迁移率和浓度来表示。本征半导体的电导率表达式如下：半导体 n_i：本征载流子浓度 μ_e：电子迁移率 μ_h：空穴迁移率请参阅此链接以了解有关半导体理论 MCQ 的更多信息

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