半导体物理学
半导体元素的原子恰好有四个价电子。因为这四个价电子半导体元件确实有一些特殊的电气特性和性能，这使它们在诸如电子电路元件中得到广泛应用二极管,晶体管,在所等。虽然半导体有许多物理性质，但这种材料因其适中的导电性而被称为半导体。
半导体的电阻率范围为10- 4Ω - m到0。其中铜的电阻率约为1.7 × 10- 8在室温下Ω - m，玻璃的电阻率约为9 × 1011Ω - m铜是好的导体玻璃是绝缘体。
我们已经讲过，半导体在电子电路元件中是有用的，不仅因为它的中等电阻率，而且因为它的许多其他特殊性质。
半导体的一些主要特性是，
债券在半导体
半导体原子中的价电子在成键过程中起着至关重要的作用原子在半导体晶体中。原子间的成键是由于每个原子都倾向于感受到最外层的八个电子的细胞。
每个半导体原子有4个价电子，因此这个原子可以共用相邻原子的4个价电子来完成最外层的8个电子。原子之间通过共用价电子而成的键称为共价键。
每个半导体原子与晶体中的四个相邻原子形成四个共价键。也就是说，四个相邻的半导体原子都形成了一个共价键。下图显示了锗晶体中形成的共价键。
在锗晶体中，每个原子在最后一个轨道上有8个电子。但是在一个孤立的锗原子中，有32个电子。第一个轨道由2个电子组成。第二个轨道由8个电子组成。第三个轨道由18个电子组成，4个电子在第四或最外层轨道。
但在锗晶体中，每个原子共用来自四个相邻原子的4个价电子，用8个电子填满最外层的轨道。这样，晶体中的每一个都在最外层的轨道上有8个电子。
通过形成这些共价键，晶体中的每个价电子都与原子联系在一起，因此在理想状态下晶体中不会有任何自由电子。在一个半导体,原子由于原子间的共价键排列有序。这就形成了半导体的晶体结构。
常用的半导体
半导体有许多种，但很少用于电子电路。两种最常用的半导体是硅和锗。硅和锗在晶体中需要较低的能量来打破它们的共价键。这是最常用这两种半导体的主要原因。硅需要1.1 eV才能打破其晶体中的任何共价键，锗则需要1.1 eV
为了同样的目的，0。7ev。
硅
硅的孤立原子中总共有14个电子。第一个轨道由2个电子组成。第二个轨道由8个电子组成，第三个轨道由4个电子组成。由于硅原子的最外层轨道上有四个电子，硅是一种四价元素。
硅晶体中的每个硅原子与四个相邻的硅原子形成共价键。这样，硅晶体的每个原子在其最外层轨道上得到8个电子。原子间的共价键以有序的方式排列晶体中的硅原子。
锗
锗的孤立原子中有32个电子。锗原子的第一、第二和第三轨道分别由2,8,18个电子组成。锗的第四个或最外层轨道由[32 -(2+8+18)= 4]4个电子组成。
与晶体中的硅原子类似，锗晶体中的锗原子与四个相邻的锗原子形成四个共价键。由于在硅晶体中相同的原因，锗晶体中的锗原子以有序的方式排列自己。
半导体能带理论
在半导体晶体中，价电子带充满了价电子。由于原子间的共价键，在理想状态下，整个价带被价电子所填满。
因此，在理想情况下，整个导带是空的。但是典型的半导体导带和价带之间的带隙较小。大约是1ev。因此，对于任何供给晶体的外部能量，价带电子都能获得向导带迁移的能力，从而提高晶体的导电性。
我们把导电和化合价之间的能隙称为禁能隙。硅的禁带能隙为1.1 eV，锗的禁带能隙为0.7 eV。由于禁能隙相当适中，价带中的电子需要很小的能量才能跨越禁能隙成为自由电子。即使在室温下，硅或锗半导体晶体中也有许多可用的自由电子。不仅在硅或锗半导体中，由于同样的原因，在所有其他半导体中，室温下都有许多自由电子。这些在导带内的自由电子使半导体具有导电性。虽然在室温下半导体中有自由电子的数目，但与自由电子的数目相比仍然相当小原子在一块半导体晶体中。发现，在室温下1010半导体原子中，只有一个自由电子。
由于这些少量的自由电子，半导体具有中等的导电性，即不如金属导体好，不如金属导体差绝缘子．在绝对零度温度下，半导体晶体中没有外部能量可用。不会有价电子穿过禁能隙。因此，在半导体晶体中没有可用的自由电子。因此，半导体在绝对零度温度下将表现为完美的绝缘体。
当半导体温度从绝对零度上升时，价带电子获得能量并穿过禁带，从而成为自由电子。随着温度的不断升高，半导体晶体中自由电子的数量增加，因此半导体的电导率增加。
电导率是电阻的倒数。这意味着，随着温度的升高，半导体的电阻减小。因此，我们可以说半导体具有负的电阻温度系数。因此，在室温下，如果我们在半导体上施加电位差，将会有一个小的当前的由于其适中的导电性，在室温下在半导体中流动。
每当有一个电子从价带迁移到导带时，在价带就会产生一个空位，一个新的电子可以坐在那里。我们把价带中可以容纳电子的空位称为空穴。
一旦一个电子成为自由电子，它后面的价带就会产生一个空穴。因此，对于纯半导体中的每个自由电子，都会有一个空穴。因此我们可以说，任何外部能量，主要是热能，在半导体晶体中不仅产生了自由电子，而且产生了电子-空穴对。
半导体中的每个共价键都由两个相邻原子贡献的两个价电子组成。当其中一个价电子离开键时，键就不完整了。这个不完全键有很强的通过吸引电子来完成自身的倾向。空穴是共价键中产生的电子空位，由于这个空穴可以吸引电子，我们可以假设空穴是正电荷的等价物。但是在物理上不存在正电荷除非它能作为正电荷。换句话说，半导体中的空穴是一个虚正电荷。
就像自由电子一样，半导体晶体中的空穴从一点移动到另一点。但是在半导体中空穴的运动不同于自由电子的运动。自由电子在半导体晶体结构中物理地移动。这些空穴在半导体晶体中虚拟地移动。
晶体中的每一个空穴都与其母原子紧密相连。因此，它在物理上是不移动的。当来自其他共价键的电子进入并坐在空穴上时，空穴就消失了。但是空穴上的电子来自于任何其他共价键，因此电子在之前的键上创造了一个空穴。所以，那里已经出现了一个新的洞。这样，一个洞消失了，另一个洞同时出现了。就像这样一个洞从它的旧位置移动到它的新位置。
当我们在a上施加一个电位差半导体，自由电子从电位的负侧移动到电位的正侧。同时，孔洞从正的一面向负的一面移动。
本征半导体
本征半导体是非常纯的半导体。在室温下，本征半导体晶体中产生的电子-空穴对仅仅是由于热激发。在室温下，由于晶体中热产生的自由电子和空穴的集中，本征半导体确实具有中等的电导率。
非本征半导体
我们可以通过在半导体中加入一些杂质来显著地改变半导体的导电性。我们把在半导体中加入杂质以改变其导电性能的过程称为掺杂。
在半导体中加入杂质，可以增加自由电子的数量，也可以增加空穴的数量，这取决于添加的杂质的类型。当五价元素作为杂质加入时，非本征半导体晶体中的自由电子数增加。
当我们加入三价元素作为杂质时，半导体中的空穴数量增加。我们所说的,非本征半导体n型半导体具有比空穴多的自由电子数。我们把空穴数多于自由电子数的外在半导体称为p型半导体。所以掺杂量决定了半导体的导电性。掺杂元素的类型决定了半导体的性质是n型还是p型。
n型和p型半导体
当我们把五价的杂质元素加到本征半导体材料，它成为n型半导体。在半导体中加入五价消除会产生大量的自由电子。我们通常使用砷和
作为五价杂质的锑。
以纯锗为例。在室温下，纯锗除了有空穴外，还有一些自由电子。即使在纯半导体晶体中，也总是存在自由电子和空穴，这有两个原因。
1)在室温下，会有一些热产生的电子-空穴对。
我们不能实际地制备绝对纯的材料。因此，半导体中总有一些杂质存在，尽管这些杂质的数量可能很小。在这些杂质中，可能有五价杂质和三价杂质。这些五价和三价的杂质产生自由电子和空穴半导体即使没有任何外部掺杂的杂质。
现在让我们在锗半导体中加入砷这样的五价元素。砷有五个价电子，因为它是五价的。每个砷原子的四个价电子参与了与四个邻近的锗原子形成共价键的过程。这样，每个砷原子都充满了它的价带。
砷的第五电子不参与共价键的形成，不能在价键中得到位置。这个电子然后迁移到晶体的导带，成为自由电子。通过这种方式，在半导体中添加五价杂质会有意地产生许多自由电子。
那么锗中自由电子的总数，就是热产生的自由电子的总和一个)由于半导体固有杂质而产生的自由电子(Nb)和由外部添加的五价杂质(Nc)．
现在半导体中空穴的总数等于热产生的空穴的总数一个)和由于半导体固有杂质而产生的空穴(Pb)．
外部添加的五价杂质理想情况下不会对半导体造成任何空穴。同样，外部加入或掉落的杂质原子(这里是砷)的数量相当大，因此在五价掺杂的半导体中自由电子的数量比空穴的数量大得多。
因为有更多的自由电子半导体，我们称半导体为负型或n型半导体．同样的解释也适用于正型或p型半导体．
