一、本征半導體的定義

簡單來說，本征半導體（Intrinsic Semiconductor）是指完全純凈的、未經摻雜的、具有晶體結構的半導體。

“純凈” 意味著在半導體材料中，除了構成其基本晶體結構的原子之外，幾乎不存在其他任何雜質原子。 “晶體結構” 則是指原子按照一定的規則在空間中周期性排列，形成具有長程有序的晶格結構。

常見的本征半導體材料有硅（Si）和鍺（Ge），它們在元素周期表中都位于第Ⅳ族，其原子最外層都具有4個價電子。

以硅為例，硅原子通過共價鍵的方式與周圍的4個硅原子相互連接，形成穩定的晶體結構。在這種理想的晶體結構中，每個硅原子都與相鄰原子共享一對電子，從而滿足了最外層 8 個電子的穩定結構。這種共價鍵結構是本征半導體的基本結構特征，對其電學等性質有著至關重要的影響。

二、本征半導體的晶體結構特點

本征半導體的晶體結構呈現出高度的規律性和對稱性，常見的本征半導體材料有硅（Si）和鍺（Ge），它們在元素周期表中都位于第Ⅳ族，其原子最外層都具有4個價電子。以硅為例，硅原子通過共價鍵的方式與周圍的4個硅原子相互連接，形成穩定的晶體結構。

共價鍵中的電子被緊緊束縛在相鄰原子之間，在絕對零度時，這些電子幾乎沒有足夠的能量掙脫共價鍵的束縛，此時本征半導體表現得如同絕緣體一般，幾乎沒有導電能力。

在這種理想的晶體結構中，每個硅原子都與相鄰原子共享一對電子，從而滿足了最外層 8 個電子的穩定結構（對于氫等少數原子是 2 個電子的穩定結構）。這種共價鍵結構是本征半導體的基本結構特征，對其電學等性質有著至關重要的影響。

然而，當溫度升高或者受到光照等外界因素影響時，情況就會發生變化。溫度的升高會使原子的熱振動加劇，部分電子有可能獲得足夠的能量，克服共價鍵的束縛，從而成為能夠在晶體中自由移動的自由電子。與此同時，在原來電子所在的位置就會留下一個空的位置， 也就是空穴。

三、本征半導體中的載流子

1、自由電子

自由電子是本征半導體中一種重要的載流子。當電子獲得足夠能量擺脫共價鍵束縛后，就成為了自由電子。這些自由電子不再被局限于某個特定的原子周圍，而是可以在整個晶體結構中自由移動。

自由電子帶負電荷，在外加電場的作用下，它們會逆著電場方向定向移動，從而形成電流。自由電子的產生數量與溫度密切相關，溫度越高，具有足夠能量掙脫共價鍵束縛的電子就越多，自由電子的濃度也就越高。

2、空穴

空穴是本征半導體中另一種獨特的載流子。當一個電子掙脫共價鍵束縛成為自由電子后，在原來的共價鍵位置就會留下一個空穴。雖然空穴本身并不是實際存在的粒子，但它卻表現出與帶正電荷粒子相似的特性。

在晶體中，相鄰共價鍵中的電子可以很容易地填補到這個空穴位置，而在填補后，原來電子所在的位置又會形成新的空穴，這樣看起來就好像是空穴在晶體中發生了移動。

空穴的移動方向與電子的移動方向相反，在外加電場作用下，空穴會順著電場方向定向移動，同樣也能形成電流。從本質上講，空穴導電實際上是通過共價鍵中電子的依次填補來實現的，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、本征半導體的電學特性

1、電導率

本征半導體的電導率是衡量其導電能力的重要物理量。電導率與自由電子和空穴的濃度以及它們的遷移率有關。遷移率反映了載流子在電場作用下定向移動的難易程度。

由于本征半導體中載流子濃度相對較低，且遷移率也受到晶體結構等因素的限制，所以本征半導體的電導率一般較小，其導電能力介于導體和絕緣體之間。然而，正是這種特殊的導電性能，使得本征半導體在經過適當的摻雜等處理后，可以展現出極為豐富和有用的電學特性，成為各種半導體器件的基礎。

2、溫度特性

溫度對本征半導體的電學性能有著顯著的影響，通常來說，隨著溫度升高，電子 - 空穴對的產生速率增大，載流子濃度增加，電導率也隨之增大，這種溫度與電導率之間的密切關系使得本征半導體對溫度非常敏感。

在實際應用中，這種特性既可以被利用，例如制作熱敏電阻等溫度傳感器，但同時也帶來了一些問題。比如在一些對溫度穩定性要求較高的半導體器件中，需要采取特殊的措施來補償溫度對器件性能的影響，以確保器件能夠穩定可靠地工作。

五、筆者總結

綜上所述，本征半導體是一種非常重要的基礎材料，它不僅構成了現代微電子工業的核心基石之一，而且也為深入研究半導體物理提供了理想的實驗平臺。盡管其自身的實際應用受到一定限制（實際很少直接使用，主要使用摻雜制造），但通過對本征半導體的理解與掌握，我們能夠更好地設計和開發出滿足不同需求的高性能半導體器件。

在未來的技術發展中，隨著新材料科學的進步以及納米技術的應用，相信本征半導體還將繼續發揮重要作用，并不斷拓展新的應用領域。