EEPW论坛

手机、电脑、智能家电中的半导体，为何既不像铜线般畅通，也不像橡胶般绝缘？

今天，让我们从材料导电性出发，揭开半导体的第一层面纱，为理解神奇的肖特基势垒二极管（SBD）奠定基础！

材料世界的三大家族

根据传导电流能力，可以将材料分为三大类：导体、绝缘体和半导体。

导体就像电子的“高速公路”，比如金属，其内部有大量自由电子，电阻率极低（10-8Ω～10-4Ωcm），电压一加，电子就能顺畅流动。

绝缘体则是电子的“铜墙铁壁”，比如橡胶、陶瓷等，电子被原子核紧紧束缚，几乎无法自由移动，电阻率极高（108Ω～1018Ωcm），能有效阻挡电流。

而以硅、锗为代表的半导体的导电能力介于前两者之间，电阻率范围在10-4Ω～108Ωcm。关键在于，其导电性能可以通过掺入特定杂质、改变温度或施加光照等方式精确调控。正是这种“可控性”，让半导体成为信息时代的基石。

图1. 按电阻率划分的材料类别

材料与能带的奥秘

为什么不同材料的导电能力差异如此巨大

这要从电阻率说起。电阻（R）是电流遇到的阻力，而电阻率（ρ）是材料本身的固有属性，就像材料的“导电性格身份证”。电阻率的差异，根源在于材料内部电子的能量状态——理解半导体物理的核心：能带理论。

图2. 材料电阻的定义

能带理论

要理解能带，得先从单个原子说起。以硅原子为例，它有14个电子，像行星绕太阳一样，分层围绕原子核运动。但量子力学告诉我们，电子只能存在于某些确定的、不连续的轨道（能级）上。

当无数个原子紧密排列形成晶体时，单个原子的离散能级会因为原子间的相互作用而“扩散”开，形成像连续带子一样的能带。

原子最外层、参与化学键合的电子所处的能带，称为价带。其电子虽然活跃，但一般被束缚在原子附近。在价带之上，能量更高、电子可以自由移动的能带，称为导带。

而在价带和导带之间，存在一个电子不允许稳定存在的能量区域，称为禁带（或带隙）。禁带的宽度（带隙能量Eg）是材料的核心参数。

图3. 电子轨道的稳定性条件

现在我们用能带理论重新审视三大材料：绝缘体的禁带非常宽（Eg＞3 eV），价带电子需要巨大的能量才能跃迁到导带，因此几乎不导电。

半导体的禁带宽度适中（如硅的Eg≈1.12 eV），在常温下，有少量价带电子能获得热能，跃迁过禁带进入导带成为自由电子，同时在价带留下一个带正电的“空穴”，所以有一定的导电能力。

而导体的价带和导带重叠，或者价带未被电子填满，电子无需跨越禁带就能自由移动，因此导电性极佳。费米能级是一个重要的参考能量，可以粗略理解为电子填充水平的“水位线”，在半导体中，它通常位于禁带之中。

图4. 绝缘体、半导体和金属的能带

半导体的“掺杂魔法”

不过，纯净的半导体（本征半导体）导电能力很弱，实用价值不大。真正的魔法在于“掺杂”——人为、有控制地掺入微量特定杂质。在硅中掺入磷等杂质，会多出一个电子，这个电子很容易成为自由电子。

这样，电子成为多数载流子，空穴为少数载流子，这就是n型半导体。在室温条件下，其费米能级向导带方向移动。而在硅中掺入硼等杂质，就会缺少一个电子，从而产生一个可移动的带正电的空穴。

图5. n型半导体

这样，空穴成为多数载流子，电子为少数载流子，即p型半导体。同样在室温下，其费米能级向价带方向移动。载流子（自由电子和空穴）就是电流的搬运工。通过掺杂，可以精确控制半导体中“搬运工”的种类和数量，这是制造所有半导体器件的基础。

图6. p型半导体

今天我们学习了材料的导电性分类，并用能带理论解开了半导体导电能力的秘密。