一、本征半導(dǎo)體的定義
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，本征半導(dǎo)體（Intrinsic Semiconductor）是指完全純凈的、未經(jīng)摻雜的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。
“純凈” 意味著在半導(dǎo)體材料中，除了構(gòu)成其基本晶體結(jié)構(gòu)的原子之外，幾乎不存在其他任何雜質(zhì)原子。 “晶體結(jié)構(gòu)” 則是指原子按照一定的規(guī)則在空間中周期性排列，形成具有長(zhǎng)程有序的晶格結(jié)構(gòu)。
常見(jiàn)的本征半導(dǎo)體材料有硅（Si）和鍺（Ge），它們?cè)谠刂芷诒碇卸嘉挥诘冖糇?，其原子最外層都具?個(gè)價(jià)電子。
以硅為例，硅原子通過(guò)共價(jià)鍵的方式與周?chē)?個(gè)硅原子相互連接，形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。在這種理想的晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)硅原子都與相鄰原子共享一對(duì)電子，從而滿(mǎn)足了最外層 8 個(gè)電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這種共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)是本征半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)特征，對(duì)其電學(xué)等性質(zhì)有著至關(guān)重要的影響。
二、本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出高度的規(guī)律性和對(duì)稱(chēng)性，常見(jiàn)的本征半導(dǎo)體材料有硅（Si）和鍺（Ge），它們?cè)谠刂芷诒碇卸嘉挥诘冖糇?，其原子最外層都具?個(gè)價(jià)電子。以硅為例，硅原子通過(guò)共價(jià)鍵的方式與周?chē)?個(gè)硅原子相互連接，形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。
共價(jià)鍵中的電子被緊緊束縛在相鄰原子之間，在絕對(duì)零度時(shí)，這些電子幾乎沒(méi)有足夠的能量掙脫共價(jià)鍵的束縛，此時(shí)本征半導(dǎo)體表現(xiàn)得如同絕緣體一般，幾乎沒(méi)有導(dǎo)電能力。
在這種理想的晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)硅原子都與相鄰原子共享一對(duì)電子，從而滿(mǎn)足了最外層 8 個(gè)電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)（對(duì)于氫等少數(shù)原子是 2 個(gè)電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)）。這種共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)是本征半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)特征，對(duì)其電學(xué)等性質(zhì)有著至關(guān)重要的影響。
然而，當(dāng)溫度升高或者受到光照等外界因素影響時(shí)，情況就會(huì)發(fā)生變化。溫度的升高會(huì)使原子的熱振動(dòng)加劇，部分電子有可能獲得足夠的能量，克服共價(jià)鍵的束縛，從而成為能夠在晶體中自由移動(dòng)的自由電子。與此同時(shí)，在原來(lái)電子所在的位置就會(huì)留下一個(gè)空的位置， 也就是空穴。
三、本征半導(dǎo)體中的載流子
1、自由電子
自由電子是本征半導(dǎo)體中一種重要的載流子。當(dāng)電子獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵束縛后，就成為了自由電子。這些自由電子不再被局限于某個(gè)特定的原子周?chē)强梢栽谡麄€(gè)晶體結(jié)構(gòu)中自由移動(dòng)。
自由電子帶負(fù)電荷，在外加電場(chǎng)的作用下，它們會(huì)逆著電場(chǎng)方向定向移動(dòng)，從而形成電流。自由電子的產(chǎn)生數(shù)量與溫度密切相關(guān)，溫度越高，具有足夠能量掙脫共價(jià)鍵束縛的電子就越多，自由電子的濃度也就越高。
2、空穴
空穴是本征半導(dǎo)體中另一種獨(dú)特的載流子。當(dāng)一個(gè)電子掙脫共價(jià)鍵束縛成為自由電子后，在原來(lái)的共價(jià)鍵位置就會(huì)留下一個(gè)空穴。雖然空穴本身并不是實(shí)際存在的粒子，但它卻表現(xiàn)出與帶正電荷粒子相似的特性。
在晶體中，相鄰共價(jià)鍵中的電子可以很容易地填補(bǔ)到這個(gè)空穴位置，而在填補(bǔ)后，原來(lái)電子所在的位置又會(huì)形成新的空穴，這樣看起來(lái)就好像是空穴在晶體中發(fā)生了移動(dòng)。
空穴的移動(dòng)方向與電子的移動(dòng)方向相反，在外加電場(chǎng)作用下，空穴會(huì)順著電場(chǎng)方向定向移動(dòng)，同樣也能形成電流。從本質(zhì)上講，空穴導(dǎo)電實(shí)際上是通過(guò)共價(jià)鍵中電子的依次填補(bǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但為了便于理解和分析，通常將其等效視為一種帶正電的載流子。
四、本征半導(dǎo)體的電學(xué)特性
1、電導(dǎo)率
本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率是衡量其導(dǎo)電能力的重要物理量。電導(dǎo)率與自由電子和空穴的濃度以及它們的遷移率有關(guān)。遷移率反映了載流子在電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)的難易程度。
由于本征半導(dǎo)體中載流子濃度相對(duì)較低，且遷移率也受到晶體結(jié)構(gòu)等因素的限制，所以本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率一般較小，其導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。然而，正是這種特殊的導(dǎo)電性能，使得本征半導(dǎo)體在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)膿诫s等處理后，可以展現(xiàn)出極為豐富和有用的電學(xué)特性，成為各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。
2、溫度特性
溫度對(duì)本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能有著顯著的影響，通常來(lái)說(shuō)，隨著溫度升高，電子 - 空穴對(duì)的產(chǎn)生速率增大，載流子濃度增加，電導(dǎo)率也隨之增大，這種溫度與電導(dǎo)率之間的密切關(guān)系使得本征半導(dǎo)體對(duì)溫度非常敏感。
在實(shí)際應(yīng)用中，這種特性既可以被利用，例如制作熱敏電阻等溫度傳感器，但同時(shí)也帶來(lái)了一些問(wèn)題。比如在一些對(duì)溫度穩(wěn)定性要求較高的半導(dǎo)體器件中，需要采取特殊的措施來(lái)補(bǔ)償溫度對(duì)器件性能的影響，以確保器件能夠穩(wěn)定可靠地工作。
五、筆者總結(jié)
綜上所述，本征半導(dǎo)體是一種非常重要的基礎(chǔ)材料，它不僅構(gòu)成了現(xiàn)代微電子工業(yè)的核心基石之一，而且也為深入研究半導(dǎo)體物理提供了理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。盡管其自身的實(shí)際應(yīng)用受到一定限制（實(shí)際很少直接使用，主要使用摻雜制造），但通過(guò)對(duì)本征半導(dǎo)體的理解與掌握，我們能夠更好地設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足不同需求的高性能半導(dǎo)體器件。
在未來(lái)的技術(shù)發(fā)展中，隨著新材料科學(xué)的進(jìn)步以及納米技術(shù)的應(yīng)用，相信本征半導(dǎo)體還將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，并不斷拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域。
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