半导体是一种导电性介于导体与绝缘体之间的材料，其独特的电学特性使其成为现代电子技术的核心，从微观结构看，半导体的原子通过共价键结合，价电子被束缚在共价键中，室温下部分价电子可获得足够能量摆脱束缚成为自由电子，同时在原位置留下“空穴”，自由电子和空穴统称为载流子，这是半导体导电的基础，半导体的导电性可通过温度、光照、掺杂等因素精确调控,这一特性使其具备广泛的应用价值。
能带理论：半导体导电的物理基础
固体材料的电子能量分布遵循能带理论，原子孤立存在时，电子具有分立的能级；当大量原子紧密排列形成晶体时，相邻原子能级重叠分裂成能带，价电子占据的能带称为价带，能量更高的空能带称为导带，价带顶与导带底之间的能量差称为禁带宽度（(E_g)），导体（如金属）的价带与导带重叠或禁带极窄，电子极易跃迁；绝缘体（如金刚石）的禁带宽度很大（(>5\ \text{eV})），电子几乎无法跃迁；半导体的禁带宽度适中（硅约(1.12\ \text{eV})，锗约(0.66\ \text{eV})），室温下部分价电子可通过热激发跃迁至导带，形成自由电子（带负电）和空穴（带正电），二者均可参与导电，这种“电子-空穴对”的产生是本征半导体导电的核心机制。
本征半导体与杂质半导体：导电性的调控
纯净的半导体（如纯硅、纯锗）称为本征半导体，其载流子浓度仅由热激发决定，室温下导电性较弱（硅电阻率约(2.3\times10^5\ \Omega\cdot\text{m})），为提升导电性，可通过掺杂引入杂质原子，形成杂质半导体，这是半导体器件实用化的关键。
N型半导体
在四价本征半导体（如硅）中掺入五价元素（如磷、砷），杂质原子替代硅原子位置后，五个价电子中四个与相邻硅原子形成共价键，多余一个电子受束缚极弱，室温下即可电离为自由电子，此时自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子），杂质原子因失去电子成为正离子，但本身不参与导电。
P型半导体
若掺入三价元素（如硼、镓），杂质原子三个价电子与相邻硅原子形成共价键时，缺少一个电子，形成一个空穴，该空穴可吸引邻近电子填充，等效于空穴移动，此时空穴为多子，自由电子为少子，杂质原子因得到电子成为负离子。
下表对比了本征半导体与杂质半导体的特性：
| 类型 | 掺杂元素 | 多子 | 少子 | 导电机制 | 室温电阻率（示例） |
|---|---|---|---|---|---|
| 本征半导体 | 无 | 电子、空穴（浓度相等） | 电子、空穴（浓度相等） | 热激发产生电子-空穴对 | 硅：(2.3\times10^5\ \Omega\cdot\text{m}) |
| N型半导体 | 磷、砷等五价元素 | 自由电子 | 空穴 | 杂质电离提供电子，少量热激发空穴 | 硅（掺磷(10^{-6})）：(10^{-3}\ \Omega\cdot\text{m}) |
| P型半导体 | 硼、镓等三价元素 | 空穴 | 自由电子 | 杂质电离提供空穴，少量热激发电子 | 硅（掺硼(10^{-6})）：(10^{-3}\ \Omega\cdot\text{m}) |
PN结：半导体器件的核心结构
将P型半导体与N型半导体通过特殊工艺结合，界面处会形成PN结——这是二极管、晶体管等器件的基础，由于浓度差，P区空穴向N区扩散，N区电子向P区扩散，扩散导致界面附近P区留下负离子（受主离子）、N区留下正离子（施主离子），形成空间电荷区（也称耗尽层），空间电荷区产生内建电场（方向从N区指向P区），该电场阻碍多子扩散，同时促进少子漂移（P区电子向N区，N区空穴向P区），当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区宽度稳定，内建电势差（硅约0.7V，锗约0.3V）形成。
PN结的单向导电性
- 正向偏置：P区接电源正极，N区接负极，外电场与内建电场方向相反，削弱空间电荷区，多子扩散增强，形成较大正向电流（毫安级），PN结导通。
- 反向偏置：P区接电源负极，N区接正极，外电场与内建电场方向相同，增强空间电荷区，多子扩散被抑制，仅少子漂移形成极小反向电流（微安级，称反向饱和电流），PN结近似截止，这种“正向导通、反向截止”的特性称为单向导电性，是整流、开关等功能的物理基础。
半导体器件的工作原理简述
基于PN结和杂质半导体特性，可构建多种半导体器件：
- 二极管：单个PN结封装而成，利用单向导电性实现整流（交流转直流）、检波（高频信号提取）、稳压（利用反向击穿特性）等功能。
- 双极结型晶体管（BJT）：由两个PN结（NPN或PNP型）构成，通过基极电流微小变化控制集电极-发射极电流的较大变化，实现电流放大。
- 场效应晶体管（MOSFET）：通过栅极电压控制导电沟道（N型或P型）的导电能力，实现电压控制电流放大，具有高输入阻抗、低功耗特点，是集成电路的核心元件。
相关问答FAQs
Q1：为什么半导体的导电性可以通过掺杂显著提升？
A：本征半导体的载流子仅来自热激发，浓度极低（如硅室温下约(1.5\times10^{10}\ \text{cm}^{-3})），掺杂后，杂质原子在禁带中引入杂质能级：N型半导体的施主能级靠近导带底，电子极易从施主能级跃迁至导带，使电子浓度提升至(10^{15}-10^{18}\ \text{cm}^{-3})；P型半导体的受主能级靠近价带顶，价带电子极易跃迁至受主能级，形成大量空穴，载流子浓度大幅增加，导电性显著增强（电阻率降低数个数量级）。
Q2：PN结的反向饱和电流为什么很小且受温度影响大？
A：反向偏置时，PN结电流由少子漂移形成，少子来自本征激发，浓度极低（如P型半导体中电子浓度仅约(10^4\ \text{cm}^{-3})），故反向饱和电流很小（纳安至微安级），但少子浓度对温度敏感：温度升高时，热激发加剧，电子-空穴对增多，少子浓度近似指数增长（每升高10℃，硅的少子浓度约增1倍），导致反向饱和电流随温度显著增大,这是半导体器件温度稳定性的关键影响因素。
