2-5　为什么半导体的导电不如导体？

电流是单位时间流过的电量。那么很显然，在一定的电压下，单位时间流过的电荷与导线内的载流子数目成正比，与载流子在其中定向运动的速度成正比。假设有两根一样长的导线，一根的材料是金属，另一根导线是半导体，并且假设这两根导线所含的原子数目相同，都是n个，将两根导线并联。也就是说，使两者处于相同的电压下，测量电流的结果当然是金属所通过的电流大，而半导体通过的电流小得多。

要知道，在相同的电压条件下，半导体中载流子运动速度要比在金属中快。所以影响半导体导电的不是载流子运动速度的问题。所以只剩下载流子数目的差别。假设金属是铜，它有2个价电子，那么在导线中就有2n个电子。假设半导体为高纯度锗，它大概有n/10⁹（n的十亿分之一）个载流子，由此看来，半导体的导电要比金属差得多。如果在锗内掺进大量的杂质，顶多只有约n/1000个载流子参加导电。这可以打个比喻，假设甲、乙两方比赛搬运沙袋，沙袋的重量完全相等，搬运的距离也完全相等，甲方搬运的速度是乙方的2倍，但甲方只有1人搬运，而乙方有1万人搬运。那么搬运的结果，肯定乙方比甲方快。

金属为什么有那么多载流子，这个问题可从能带结构来看，因为金属的导带是与价带连接在一起，所以价电子很容易由价带进到导带中去参加导电。从化学键看，金属的化学键为金属键，而金属键的特征是所有的价电子都构成电子云，而电子云在电场作用下，可沿电场方向流动。但是对半导体却截然不同，它的能带结构是有禁带存在于导带与价带之间。价带的电子要想进入导带，一个是靠电子能量的涨落。能量涨落的物理含义是：在一定温度下，有一部分电子会超过其能级的能量，温度越高这个比例越大。在同样温度下，所需增加的能量越大，这种电子的比例越小。所以刚才引用的锗的载流子数目就是这样算出来的。从化学键的角度看，也是一样，共价键是一对一对的价电子形成的化学键。只有单个电子具有较高能量时，才能挣脱一个键，而不能使所有的键都破坏而去参加导电。

如果温度升高，对金属而言，它的价电子全部参加导电，而内层电子不会因温度升高而到导带上来，所以它的载流子数目不因温度升高而增加。而温度升高，由于晶格振动能量增大，对载流子运动的阻力增大，因此金属的电导率随温度上升而下降。半导体材料的情况则完全是另一个样子。温度升高，增加价电子的能量。使越过禁带到达导带的电子数目大幅度增加，虽然也有晶格振动增加阻力的问题，因为前者能够作为载流子的电子数量增加很多，所以半导体的电导率随温度升高明显地增大。

如果用光照射到半导体上也可能会提高它的电导率。按照量子力学的原理，光是由光量子组成的，光量子的能量取决于它的波长，如果光量子的能量大于半导体的禁带宽度，它也可以把它的能量给价带的电子，使价电子越过禁带，成为载流子。这对金属而言却不起作用，因为价电子不用增加能量，就已全部成为载流子。