1、原子结构

原子

由

原子核

和围绕原子核旋转的

电子

构成。如果将

原子

比作一

棒球场

，那么

原子核

大大小不比一个

棒球

大，但原子的所有重量都集中在原子核上，而

电子

只相当于棒球场上的

苍蝇

，所占空间相比来说也是极小的。

原子核带正电荷，电子带负电荷

。原子内正电荷和负电荷数量相等，所以

原子整体是中性

的。电子围绕原子核运动，和地球围绕太阳远行相似。在核的引力作用下，电子分成几层（又叫能带 energy band）按完全确定的轨道运行，而且各层所能容纳的电子数目也有一定规律。以硅元素为例，原子核周围的14个电子组成三层环，围绕原子核运动。从里往外数，第一层环上有其2个电子，其余依次为8、4个电子。

凡是环上的电子数为2、8、18时．这些环上的电子总是比较稳定的，这类元素一般形成绝缘体。若环上的电子数不等于以上各数时，这些环上的电子总是不太稳定。于最外层的价电子离核比较远，所受引力最小，所以最容易受外界影响而形成自由电子。导体和半导体都是靠最外层的自由电子进行导电的。

而每个原子核除了吸引自己的价电子外，还吸引相邻原子的

价电子

。因此，两个相邻原子的价电子便成对地存在。这一对电子同时受这两个原子核的吸引，为它们所“共有”。这两个相邻原子也通过这个电子对被联系在一起。这样，电子对就好像起了键(联结)的作用，我们叫它

共价键

。

每一个硅原子以其4个价电子与其他4个硅原子的价电子组成4个共价键而达到稳定状态

。在理想情况下，硅晶体中所有的价电子都织成了电子对，因此没有自由电子，这时硅晶体是不易导电的。纯硅晶体也不是像绝缘体一样完全不导电，所以这类固态成为

半导体

。在

外力作用下

电子会逃脱共价键，形成空穴和自由电子，均被称作

载流子

。以硅晶体结构为例：

硅晶体共价键结构

2、半导体

半导体有以下特性：1）热敏性，随着环境温度变化，它的导电能力变化很大。2）光敏性，收到光照时，有的半导体导电率迅速降低。3）掺杂特性，金属掺入少量杂质会增大电阻，而半导体掺入少量的特定杂质哪怕只有几十万分之一的特定杂质，电阻率就可能下降到原来的几百分之一。

我们知道，水流大小是由水分子的移动形成的，水是水流的

载流子

；同样，带电荷的可移动粒子是电流的

载流子

。

由于受到共价键的束缚，原子核（带正电荷）和电子（带负电荷）都不可移动的，所以硅的导电性能比较差。

硅晶体的共价键并不是非常坚固，由于受到温度、光、磁等能量的激发作用，极少的电子获得足够的能量，可以摆脱共价键的束缚，带负电荷的电子便可以移动了，支持了电流的形成。这个电子离开原子后，共价键就少了一个电子，留下一个空位置（我们称为

空穴

），该原子同时变成了带正电荷的离子。因为这种带正电荷的离子都有一个空穴，我们不如将空穴视为带正电荷的“粒子”（实际上空穴不是粒子，但是原子有空穴，就代表此处有正电荷）。

这种由于热激发产生了一对“自由电子”和“空穴”的过程，称为

本征激发

。自由电子带负电荷，空穴带正电荷。自由电子和空穴都是半导体的载流子。

同理，自由电子和空穴也可以复合。

杂质半导体

掺入杂质的半导体称为杂质半导体。

由于本征导电性能差，如果参入+5价或者+3价的原子，可以大大提高其导电性能。

比如，掺入+5价的磷原子后，磷的4个电子和周围4个硅原子形成共价键，还剩有1个电子，由于不受共价键束缚可以自由移动，

这种杂质半导体称为N型半导体。N代表负极性Negetive，由于引入了1个自由电子，所以称为N型半导体

。

同理，掺入+3价的硼原子后，硼的3个电子和周围4个硅原子形成共价键的话，会出现一个空穴，这种杂质半导体称为P型半导体。P代表正极性Positive。