1.1.1 本征半导体

本征半导体是一种纯净的、具有晶体结构的半导体，也称为晶体。常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge），其原子结构如图1-1a、b所示。硅和锗的最外层都有四个价电子，是四价元素，简化原子结构模型如图1-1c所示。

在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合，每一个原子的一个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对，形成晶体中的共价键结构，如图1-2所示为硅的共价键结构示意图。

在热力学温度T=0K和无外界能量激发的条件下，价电子不能脱离共价键的束缚而成为自由电子，这时半导体不具有导电能力，相当于绝缘体。若温度升高或受到光照等刺激，晶体中的价电子从外界获得了足够的能量，某些价电子就能摆脱共价键束缚而成为自由电子，同时在共价键中留下空位，称为空穴。在本征半导体中，电子和空穴总是成对出现的，称为电子-空穴对，若电子和空穴结合则称为复合。

图1-1 硅和锗的原子结构及其简化模型

a）硅 b）锗 c）简化模型

当共价键中出现了空穴后，邻近共价键中的价电子就很容易过来填补这个空位，同时又会出现新的空位，然后其他的价电子又可能会填补新的空穴，这种过程持续进行，就相当于一个空穴在晶体中移动，如图1-3所示。脱离共价键的自由电子带负电，空穴失掉一个电子带正电。当在外电场作用下，带负电荷的自由电子产生定向移动，形成电子电流；另一方面，价电子也按一定方向依次填补空穴，相当于空穴产生了定向移动，形成空穴电流。

图1-2 硅的共价键结构示意图

图1-3 硅晶体中的两种载流子

由此可见，半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。在本征半导体中，一定温度条件下自由电子和空穴成对出现，同时又不断复合，载流子的产生和复合达到动态平衡，自由电子和空穴维持一定的浓度。随着温度升高，载流子的浓度按指数规律增加。因此，半导体的导电性能受温度影响很大。