从能带认识半导体及其掺杂质后的导电行为

从能带认识半导体及其掺杂质后的导电行为

半导体材料是现代电子技术的基础，其独特的导电性质在很大程度上决定了电子设备的性能。从能带理论的角度理解半导体的导电行为，不仅有助于我们掌握半导体的基本原理，还能为设计和开发新型电子器件提供理论支持。本文将从能带图出发，深入探讨半导体及其掺杂后的导电特性。

利用物质的电阻率可以划分界定导体、半导体以及绝缘体，但相较于电阻率，能带图能够表征物质的更多性质。

如上图所示，对于导体、半导体以及绝缘体而言其能带图有较为明显的差异，这正是它们导电性质不相同的原因之一。

可以看到绝缘体(如金刚石晶体)的能带被禁带分割成三部分，其上是被价电子完全填充的满带（价带），其下是被价电子完全填充的满带（价带），这两条能带相隔的间距Eg，被称为禁带宽度。 Eg=Ec-Ev，Ec代表导带底端的能量值，Ev代表价带顶的能量值。由于价带中的价电子全都束缚在共价键内,它一般没有导电能力。但是处于价带顶Ev处的价电子，如果吸收外界能量超过Eg这时电子就能跳到导带中去成为导电的电子，因此Eg就是价电子挣脱共价键变成导电电子所需要吸收的最低能量值。由于金刚石的Eg值比较大(Eg=5.47eV)，电子很难从价带跳到导带中去，原来的导带又是空的，所以金刚石在通常的情况下缺少导电电子，是导电能力很差的绝缘体。 半导体材料硅、锗也属于金刚石结构，它们的能带也和金刚石类似，但它们的主要差别在于半导体的禁带宽度Eg远比绝缘体的Eg值小，如下图所示。

由于半导体材料的Eg值小(如硅的Eg=1.107eV)，因此半导体中的一个价电子吸收外界能量后很容易越过禁带从价带跳到导带中去成为导电电子，与此同时在价带中留下一个空穴。

导体的能带结构与绝缘体、半导体不同。由上图可知，导体的能带是彼此重叠的，中间没有禁带阻拦，因此没有价带和导带的区别。处于这种能带中的价电子可以参与导电。一般金属(如铜)中存在大量的导电电子，所以铜等金属是一个优良的导体。 半导体硅材料中掺有硼、铝、镓、铟等受主杂质时称为p型硅材料，掺有磷、砷、锑、铋等施主杂质时称为n型硅材料。下面我们以硅材料中掺磷和掺硼为例，从杂质原子的能级与硅的能带图的关系，说明半导体掺杂质后的导电行为。

由于磷等施主杂质能级ED靠近导带底，ED能级上画的黑点代表磷等施主杂质的价电子，这些电子既不属于价带也不属于导带，但它们吸收了外界的能量后就可以跳到导带构成电子导电。由于硼等受主杂质空穴的能级EA靠近硅的价带顶，在EA能级上画的白圈代表被受主拉住的空穴，这些空穴既不属于价带也不属于导带，因此没有导电能力，但当这些空穴吸收了外界的能量后就可以跳到价带中去成为具有导电能力的空穴，这个过程中并不产生导电电子，因此形成了空穴导电。 由此可见，正是由于杂质能级靠近半导体的价带或导带，所以这些杂质对半导体的导电性有着显著的影响。

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