硅为什么是半导体材料 硅的半导体特性解析

硅为什么是半导体材料

半导体材料是指其电子能带结构介于导体和绝缘体之间的材料，其中硅是一种重要的半导体材料。那么硅为什么能成为半导体材料呢？我们可以从以下几个方面来探讨。

1、硅的电子构型

硅的原子有14个电子，其中内层能级占据了2个电子，外层电子有4个，但外层能容纳8个电子。因此，每个硅原子外层只有4个电子，这意味着硅原子需要借助其他原子来完成其最外层的8个电子。

由于硅的外层电子只有4个，因此它可以与其他硅原子共享电子而形成共价键。这样，每个硅原子就能够与周围四个硅原子形成共价键，而形成晶体结构，这就是所谓的硅晶体。因为硅原子有4个价电子，每个共价键中两个电子都参与共享，因此硅的共价键有4个电子构成，即4价。这种4价特性是半导体性质的基础。

2、硅的能带结构

材料中电子的能量分布被称为电子能带结构。能量最低的电子带称为价带，能量最高的电子带称为导带。在导体中，导带和价带之间没有能隙，因此电子可以随意流动。而在绝缘体中，导带和价带之间的能隙非常大，只有外界能量作用下，电子才能跃迁到导带中。而在半导体材料中，导带和价带之间的能隙比绝缘体小，但比导体大。这使得半导体材料只能在一定程度上导电，导电性能可以通过控制电子跃迁的方式来改变。

硅材料的能带结构是一个间接带隙结构，这意味着电子在从价带跃迁到导带时需要较大的能量，因此电子常年停留在价带中。当一个电子获得能量跃迁到导带中时，留下的空位就称为空穴。因此，硅的导电需要外界能量的影响，因为它需要提供电子，空穴或两者都要提供才能导电。

3、硅材料的纯度

硅材料的纯度对其半导体性能也有很大影响。电子和空穴只有在紧密接触时才能有效地重新结合，杂质可以使晶体中出现额外的能级，干扰电子和空穴的运动路径和速度，从而影响材料的导电性能。因此，制造半导体器件的硅材料需要极高的纯度。

4、硅材料的掺杂

通过杂质掺入，硅材料的半导体性质可以被改变。

把一些第三周期元素，如磷、砷和锑掺入硅材料中，就形成了N型半导体。这是因为第3周期元素有5个外层电子，每个原子只共享四个电子来参与结构，因此会带有一个额外的电子，形成了带负电的离子，这些离子在晶体中会形成电子。在N型半导体中，电子是主要移动载流子。在P型半导体中，一些第五周期元素，如硼、铝和镓可以作为杂质元素被控制掺入到硅晶体中。这些元素只有3个电子，因此，与硅原子形成共价键时只会有3个电子参与电子的共享。这样，将产生正在硅晶体中相邻的原子上缺失1个外层电子的空位，即电子空穴。相对于晶体中的电子，空穴会具有正电荷。在P型半导体中，空穴是主要移动载流子。

通过P型材料和N型材料的掺杂形成PN结，可以控制电子和空穴的运动方向，构成了各种半导体器件（如二极管、晶体管、场效应晶体管等）的基础。