模擬電子技術(一)：本徵半導體

關於模擬電子技術，我們首先介紹一下半導體的一些基礎知識，本篇文章主要介紹本徵半導體。

我們知道材料如果按照導電性，可以分成導體，半導體和絕緣體三種。導體很容易傳導電流；而絕緣體，因為裡面幾乎沒有自由電子參與電流傳導，所以導電能力是比較差的；半導體則是介於導體和絕緣體之間。

一個材料的導電性我們可以用電阻率來表徵。電阻率越低，材料的導電性就越好。那麼怎麼用電阻率來區分這三種材料呢？一種區分方法是這樣的：導體的電阻率在1E-6～1E-4Ω·cm之間；絕緣體的電阻率在1E8~1E20Ω·cm之間，而半導體的電阻率則是在 1E-3～1E9Ω·cm之間。

接下來我們介紹一下本徵半導體。什麼是本徵半導體呢？所謂本徵半導體就是結構完整的、完全純淨的（沒有雜質的），單晶的半導體。

下面我們以矽為例看一下本徵半導體的原子結構。我們知道矽在元素周期表裡面位於第四列，有四個價電子，也就是說它的原子的最外層軌道上有四個電子。

這種原子，因為最外層電子數沒有達到8個（達到8個才會穩定），所以會試圖和其它的原子結合在一起，把軌道填滿。 在本徵矽裡，矽原子會和與它鄰近的矽原子結合在一起，實現穩定的目的。所謂結合就是共享最外層的電子，這種結合就形成一個共價鍵，每個原子四周可以有四個共價鍵，每個共價鍵涉及兩個電子，這樣每個原子的最外層就可以有8個電子，實現穩定。

在共價鍵中的電子是受到兩個原子核的吸引的，在絕對零度的條件下（-273攝氏度），它們不能自由移動，這樣就導致本徵半導體中並沒有自由電子可以導電，所以在絕對零度的條件下它很像一個絕緣體。

但是如果溫度高於絕對零度，或者用光照射本徵半導體，就可以給價電子提供一定的能量，使得它擺脫共價鍵的束縛， 成為一個自由電子。這個自由電子並不是獨立產生的，從下面這個圖裡我們會發現，一個電子成為自由電子之後，會在原來的位置產生一個空缺，自由電子和空缺是同時出現的。這個空缺也可以移動，它可以被鄰近的一個共價鍵的電子填滿，這種填充本來是電子的移動，但是我們可以把它看作是空缺的移動。因為鄰近的電子填充了這個空缺之後，在它本來的位置上就產生了新的空缺，所以就像空缺移動一樣。我們可以把這個空缺想像成和電子一樣的一個粒子，它是帶正電的，這個虛構、想像出來的粒子我們把它稱為空穴。在本徵半導體裡，自由電子和空穴是成對出現的，它們都可以導電，我們把它們統稱為載流子。而前面我們介紹的這個過程，就是吸收外界的能量，在本徵半導體裡產生自由電子、空穴對的這個過程，我們稱為本徵激發。

我們已經知道本徵激發是一個產生電子、空穴對的過程。那麼反過來又是一個情況呢？我們知道如果是鄰近的共價鍵的電子填充空穴，只會造成空穴的移動，並不會使空穴消失。但是如果填充空穴的是自由電子，會發生什麼情況呢？這樣就會導致自由電子和空穴同時消失。自由電子回到共價鍵裡面來，從而導致這兩種載流子同時消失。這種情況，一旦自由電子和空穴相遇，就會發生。這個過程我們把它稱為複合。 而前面本徵激發產生電子、空穴對的過程，我們把它稱為產生。產生是需要能量的，相反覆合的過程會釋放一定的能量。您可能比較熟悉LED燈，它其實就利用了複合這個過程，燈光的能量就是來自於複合釋放的能量。

在一定的溫度下，產生的過程會增加電子、空穴對的濃度，它們的濃度越大，相遇並且複合的機率也就越大。而複合的作用是相反的，它會使電子、空穴對的濃度下降，導致複合的機率越來越小。最後， 產生和複合會達到一個動態平衡的效果，也就是產生的自由電子和空穴的數量與複合的自由電子和空穴的數量是相等的。這樣的話自由電子和空穴的濃度也就不再發生變化。這就是所謂的熱平衡。

下一篇文章，我們介紹雜質半導體和半導體中的電流。