晶体管基础知识
晶体管基础知识
第1章 半导体器件
I / mA
UZ UZ A O IZmin U/V ＋ Ui B IZmax － R
(b)
＋ Uz －
(a)
(c)
图10 稳压管的伏安特性曲线、 （a）伏安特性曲线；（b）图形符号；（c）稳压管电路
稳压管工作在击穿区时的稳定电压
5、汽车用整流二极管：P82—图5-21
汽车交流发电机用硅整流二极管，具有 一个引出极，另一个是外壳，参见教材P82 图5-21
汽车用二极管分为正向二极管和反向二 极管两种。正向二极管的引出端为正极，外 壳为负极，通常在正向二极管上涂有红点； 反向二极管的引出端为负极，外壳为正极， 通常在反向二极管上涂有黑点。
路里的开关元件，以及作为小电流的整流管。
N型锗片 阳极 引线 阴极 引线
铝合金小球
阳极引线 PN结
N型硅
金锑合金 底座
金属触丝 (a)
外壳 (b) 阴极引线
a）点接触二极管PN结接触面积小，不能通过很大的正向电
流和承受较高的反向工作电压，工作效率高， 常用来作为检波器件。
图7 半导体二极管的结构及符号 （a）点接触型结构;（b）面接触型结构;
流很小，PN结截止，这就是PN结的单向导电性。
第1章 半导体器件
2. 半导体二极管
把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一 个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基 本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、 稳压管和整流管等。
硅高频检波管
开关管
稳压管
整流管
发光二极管
电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示即 为各类二极管的部分产品实物图。
图8 二极管的伏安
半导体器件的基础知识
向电压—V（BR）CBO。 当集电极开路时，发射极与基极之间所能承受的最高反
向电压—V（BR）EBO。
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1.2 半导体三极管
③ 集电极最大允许耗散功率 PCM 在三极管因温度升高而引起的参数变化不超过允许值时， 集电极所消耗的最大功率称集电极最大允许耗散功率。
三极管应工作在三极 管最大损耗曲线图中的安 全工作区。三极管最大损 耗曲线如图所示。
热击穿：若反向电流增大并超过允许值，会使 PN 结烧 坏，称为热击穿。
结电容：PN 结存在着电容，该电容为 PN 结的结电容。
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1.1 半导体二极管
1.1.3 半导体二极管
1．半导体二极管的结构和符号 利用 PN 结的单向导电性，可以用来制造一种半导体器 件 —— 半导体二极管。 电路符号如图所示。
将两个 NPN 管接入判断 三极管 C 脚和 E 脚的测试电 路，如图所示，万用表显示阻
值小的管子的 值大。
4．判断三极管 ICEO 的大小 以 NPN 型为例，用万用 表测试 C、E 间的阻值，阻值 越大，表示 ICEO 越小。
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1.2 半导体三极管
1.2.6 片状三极管
1．片状三极管的封装 小功率三极管：额定功率在 100 mW ~ 200 mW 的小功率 三极管，一般采用 SOT-23形式封装。如图所示。
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1.2 半导体三极管
由图可见： （1）当 V CE ≥ 1 V 时，特性曲线基本重合。 （2）当 VBE 很小时，IB 等于零，三极管处于截止状态。
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1.2 半导体三极管
（3）当 VBE 大于门槛电压（硅管约 0.5 V，锗管约 0.2 V） 时，IB 逐渐增大，三极管开始导通。
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)基础与运用知识
IGBT基础与运用IGBT，中文名字为绝缘栅双极型晶体管，它是由MOSFET（输入级）和PNP晶体管（输出级）复合而成的一种器件，既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点（控制和响应），又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点（功率级较为耐用），频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz 频率范围内。
理想等效电路与实际等效电路如图所示：IGBT 的静态特性一般用不到，暂时不用考虑，重点考虑动态特性（开关特性）。
动态特性的简易过程可从下面的表格和图形中获取：IGBT的开通过程IGBT 在开通过程中，分为几段时间1.与MOSFET类似的开通过程，也是分为三段的充电时间2.只是在漏源DS电压下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和过程中增加了一段延迟时间。
在上面的表格中，定义了了：开通时间Ton，上升时间Tr和Tr.i除了这两个时间以外，还有一个时间为开通延迟时间td.on:td.on=Ton-Tr.iIGBT在关断过程IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。
第一段是按照MOS管关断的特性的。
第二段是在MOSFET关断后，PNP晶体管上存储的电荷难以迅速释放，造成漏极电流较长的尾部时间。
在上面的表格中，定义了了：关断时间Toff，下降时间Tf和Tf.i除了表格中以外，还定义trv为DS端电压的上升时间和关断延迟时间td(off)。
漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而总的关断时间可以称为toff=td(off)+trv十t(f)，td(off)+trv之和又称为存储时间。
从下面图中可看出详细的栅极电流和栅极电压，CE电流和CE电压的关系：从另外一张图中细看MOS管与IGBT管栅极特性可能更有一个清楚的概念：开启过程关断过程尝试去计算IGBT的开启过程，主要是时间和门电阻的散热情况。
C.GE 栅极-发射极电容C.CE 集电极-发射极电容C.GC 门级-集电极电容（米勒电容）Cies = CGE + CGC 输入电容Cres = CGC 反向电容Coes = CGC + CCE 输出电容根据充电的详细过程，可以下图所示的过程进行分析对应的电流可简单用下图所示：第1阶段：栅级电流对电容CGE进行充电，栅射电压VGE上升到开启阈值电压VGE(th)。
晶体管知识点总结
晶体管知识点总结晶体管是一种半导体器件，广泛应用于电子设备中，是现代电子技术的基础。
晶体管的发明和应用，极大地推动了电子技术的发展，使得现代电子设备变得更加小型化、高效、稳定和便携。
下面我们将对晶体管的基本原理、结构、工作原理和应用进行详细介绍。
一、晶体管的基本原理1. 电子运动的基本原理电子是原子的一个组成部分，带有负电荷。
在半导体晶体中，有大量的自由电子，在外加电压的作用下，这些自由电子会受到电场的驱动，从而在晶格中运动。
同时，半导体中还有空穴，即电子从原子轨道中跃迁出去后留下来的空位，空穴带有正电荷，也会在外加电压下发生移动。
2. PN结和二极管的基本原理PN结是由n型半导体和p型半导体组成的结构，它具有正向导通和反向截止的特性。
当PN结处于正向偏置时，n区的自由电子会向p区移动，p区的空穴会向n区移动，导致电子和空穴的复合，形成导电通道，电流得以通过。
而当PN结处于反向偏置时，n区和p区的电荷云层会被电场的作用扩散，形成空间电荷区，此时电流不能通过。
3. 晶体管的基本原理晶体管是由两个PN结构组成的器件，即P型区和N型区交替排列，整体上形成三个电极分别为集电极、发射极和基极。
当在基极和发射极之间加上正向偏置电压时，n区的自由电子会向p区移动，电子和空穴会在P区与N区的交界处结合而产生电流放大的效应。
这样，就实现了晶体管的放大功能，使得电子信号得以放大，并通过集电极输出。
二、晶体管的结构1. 晶体管的主要构成晶体管主要由P型半导体、N型半导体和金属电极组成。
P型半导体富含空穴，电子的迁移率较低；N型半导体富含自由电子，电子的迁移率较高；金属电极则起到了连接内部半导体材料的作用。
2. 晶体管的结构类型晶体管有多种不同的结构类型，包括双极型晶体管、场效应晶体管、异质结晶体管等。
不同结构的晶体管在性能和应用方面都有所不同，需根据具体的应用场景进行选择。
三、晶体管的工作原理1. 晶体管的工作状态晶体管主要有截止状态和放大状态两种工作状态。
场效应管基础知识——很全
场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。
一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。
它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108W～109W）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。
一、场效应管的分类场效应管分结型、绝缘栅型两大类。
结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。
目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS 场效应管、VMOS功率模块等。
按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。
若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。
结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。
场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。
而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。
见下图。
二、场效应晶体管的型号命名方法现行场效应管有两种命名方法。
第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。
第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。
例如,3DJ6D 是结型N沟道场效应三极管，3DO6C 是绝缘栅型N沟道场效应三极管。
第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。
例如CS14A、CS45G等。
三、场效应管的参数1、IDSS —饱和漏源电流。
晶体管饱和导通的ibs
晶体管饱和导通的ibs晶体管饱和导通的IBS（Inverted Base Structure）是一种特殊的导通方式，常用于高频功率放大器和开关电路中。
本文将详细介绍晶体管饱和导通的IBS原理以及其应用。
一、晶体管基础知识在开始讨论晶体管饱和导通的IBS之前，首先需要了解晶体管的基本原理和结构。
晶体管是一种将小信号控制大信号的电子器件。
它由三个区域组成：发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。
基极和发射极之间存在pn结，而基极和集电极之间存在pn结。
晶体管通过控制基极电流（IB），而能够调节集电极电流（IC）。
我们知道，晶体管在工作时可以处于截止状态、放大状态和饱和状态。
在饱和状态下，晶体管的饱和电流（IC（SAT））已经达到极限且无法进一步增加。
二、晶体管饱和导通晶体管饱和导通指的是当晶体管的极限电流已经达到且无法再进一步增加时，它的导通状态就称为饱和导通。
在饱和导通状态下，晶体管的VCE （Collector-to-Emitter Voltage）达到最低值，且是非常低的。
这是因为在饱和导通状态下，集电极和发射极之间的两个pn结都在导通状态。
三、晶体管饱和导通的IBS技术在晶体管饱和导通的IBS技术中，基极和集电极之间的两个pn结被反转，即nP极与P基反向。
这种结构可以有效地降低截止到饱和之间的转换时间，并实现更高的开关速度。
IBS技术对于高频功率放大器和开关电路非常有用。
四、晶体管饱和导通的优势和应用晶体管饱和导通的IBS技术相较于传统的结构有很多优势。
首先，它可以实现更高的开关速度和更小的截止到饱和之间的转换时间。
其次，它可以减小功率损耗，提高能源利用率。
此外，IBS技术还可以提供更大的集电极电流，增加晶体管的电流放大倍数。
由于其优异的性能，晶体管饱和导通的IBS技术在许多领域得到了广泛应用。
在高频功率放大器中，IBS技术可以提供更高的放大倍数和更低的失真。
薄膜晶体管(TFT)基础知识
关于TFTThin film transistor(TFT):薄膜晶体管原理类似于MOS 晶体管，区别在于MOS 是凭借反型层导电，TFT 凭借多子的积累导电。
常见TFT 结构：底栅结构（BG ）、顶栅结构（TG ）和双栅结构（DG ）如下图所示 源极漏极有源层栅极衬底绝缘层栅极绝缘层源极漏极有源层衬底 衬底有源层漏极栅极源极绝缘层绝缘层栅极a ） BG 结构b ）TG 结构c ）DG 结构图一.常见的TFT 结构BG 特点：金属栅极和绝缘层可同时作为光学保护层，避免产生光生载流子，影响电学稳定性，通常在最上层加一层钝化层以减少外界干扰。
TG 特点：可以通过改善光刻工艺降低成本。
但要加保护层，防止背光源照射到有源层，产生光生载流子，影响电学性能。
DG 特点：可通过调节背栅电压来调整阈值电压，增加了器件的阈值稳定性。
弥补了BG 和TG 的缺点。
有报道称和C G 成反比关系，而双栅结构的C G =C BG +C TG ，所以DG 结构有较好的阈值稳定性。
表征TFT 性能的参数：1） 阈值电压：决定了器件的功耗，阈值越小越好。
2） 迁移率：表征器件的导电能力。
3） 开关电流比I On /I Off ：表征栅极对有源层的控制能力。
4） 亚阈值摆幅S:漏极电流减小一个数量级所需的栅压变化，表征TFT 的开关能力。
TFT 的发展：主要是沟道材料的变化：氢化非晶硅多晶硅金属氧化物（ZnO 和a-IGZO ）表1为以上材料的性能对比：由表1可以看出，1.非晶Si：迁移率较低，不透明，禁带宽度低，光照下不稳定。
2.多晶Si: 有较高的迁移率，但均匀性差，难大面积制备性质均匀的薄膜。
3.金属氧化物：有较高的迁移率，可见光透过率高，禁带宽度高，稳定性好。
金属氧化物ZnO和IGZO由于较高的迁移率和透光性，成为现阶段器件中主流的沟道材料。
IGZO和ZnO的性质：纯净的金属氧化物是不导电的，ZnO和IGZO的导电是在制备过程中会产生元素空位，ZnO 中既有Zn空位，又有O空位，呈弱n型半导体性质，这一性质决定了ZnO作为沟道层时在负压下阈值有较大的偏移，而IGZO主要以氧空位为主，呈强n型半导体性质，沟道层中几乎没有空穴，这使得IGZO在负压下有较好的阈值稳定性。
晶体管的工作原理
晶体管的工作原理晶体管是一种半导体电子器件，广泛应用于电子技术领域。
它是由三个掺杂不同种类的半导体材料构成的，主要包括N型半导体、P型半导体和P-N结。
晶体管的工作原理是基于控制电流的传递和放大作用，并可以通过控制输入信号的变化来实现电子开关和放大电路。
1. P-N 结晶体管内部的P-N结起到关键的作用。
P-N结是由P型半导体和N型半导体材料的结合而形成的。
N型半导体中掺杂有额外的电子，被称为自由电子；P型半导体中掺杂有额外的空穴，被称为正空穴。
在P-N结的界面，自由电子和空穴会发生复合，形成一个细小而薄弱的耗尽区。
2. 基本结构晶体管主要由三个层状的半导体材料组成，分别是发射区（Emitter）、基区（Base）和集电区（Collector）。
发射区是N型半导体，集电区是N型半导体，而基区是P型半导体。
集电区与发射区之间的P-N结被称为发射结，发射结与基区之间的P-N结被称为集电结。
3. 工作原理晶体管的工作过程可以分为放大和开关两种模式。
（1）放大模式：当晶体管工作在放大模式时，可将输入信号的弱电流放大为输出信号的强电流。
当输入信号通过发射结进入基区时，如果发射区的电压高于基区，发射结就会被打开，大量的电子就会进入基区。
这些电子会被吸引到集电区，形成一个电子流，由发射区到集电区，从而实现电流的放大。
（2）开关模式：当晶体管工作在开关模式时，可根据输入电流的变化来控制电路的开关状态。
当输入信号通过发射结进入基区时，如果发射结的电压低于基区，发射结就会被关闭，此时基区没有电流通过，晶体管处于关闭状态。
如果发射结的电压高于基区，发射结就会被打开，电流可以通过晶体管的集电区和发射区，使其处于导通状态。
4. 工作参数晶体管的工作参数包括放大倍数、截止频率和饱和电流。
放大倍数指的是输入信号与输出信号的电流比值；截止频率指的是晶体管能够放大信号的最高频率；饱和电流是指晶体管在饱和状态下通过集电极和发射极的电流。
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前言集成电路只有在高倍放大的情况下才能看到它的真面目。
它的表面到处是错综复杂的细微的连线，而在这下面则是同样错综复杂的掺杂硅的图形，所有这些都是按照一套称作layout的蓝图做出来的。
模拟和混合信号集成电路的layout很难做到自动化。
每个多边形的shape和placement都需要对器件物理，半导体制造和电路理论的深刻理解。
尽管已经有30年的研究了，但仍旧有许多不确定性。
这些知识分布在艰涩难懂的期刊文章和未出版的手稿里。
本书则把这些知识整体统一串连了起来。
原本这本书是打算写给LAYOUT设计师看的，同时它也适合那些希望更好的理解电路和LAYOUT之间关系的电路设计师。
由于本书拥有大量的读者，特别是那些对于高等数学和固体物理学不是很精通的人，所以本书尽量降低了数学运算，并使用了最普遍使用的变量和单位。
读者只要会基本代数和基本的电子学就可以。
书中的练习假定读者能使用LAYOUT编辑软件，不过即使没有，大部分习题还是能用笔和纸完成的。
本书有14章和5篇附录。
前2章是对器件物理学和半导体工艺的一个整体概括。
在这2章里，简单的文字解释和图形模型代替了数学推导。
第3章是关于3种原型工艺：标准BIPOLAR, SILICON-GATE CMOS 和ANALOG BICOMS。
重点将放在截面图和这些截面图与样品器件的传统layout之间的相互关系。
第4章着重讨论了LAYOUT在决定可靠性方面的作用和通常的失效机制。
第5和6章则是电阻和电容的LAY OUT。
第7章以电阻和电容为例讨论了匹配的原理。
第8章到第10章是BIPOLAR器件的LAYOUT，而第11，12章有关场效应管的LAYOUT和匹配。
第13，14章讨论了一些更深入的话题，包括器件合并，G UARD RINGS，ESD保护结构和FLOORPLANNING。
附录则包含缩写表，MILLER指数的讨论，习题中需要的样例LAYOUT规则和书中使用的公式的推导。
Alan Hasting s致谢本书中的信息有赖于许许多多科学家，工程师和技术人员的辛勤工作，但他们大多数并未意识到，因为他们的工作经验并没有被出版。
我尽力对书中用到的基本发现和原理做了参考书目，但也有很多情况我不能找到源出处。
感谢我的德州仪器同事们给我的数不清的建议。
特别感谢KEN BELL, WALTER BUCKSCH, LOU HUT TER, CLIF JONES, JEFF SMITH, FRED TRAFTON, 和JOE TROGOLO，他们都对本书提供了重要的信息。
我也同样感谢BOB BORDEN, NICOLAS SALAMINA, 和MING CHIANG，没有他们的鼓励我也不会完成本书。
1 器件物理在1960年以前，大多数电子电路需要电子管来完成关键的放大和整流。
一个普通的AM收音机需要5个电子管，而一台彩电至少需要20个。
电子管很大，易碎而且昂贵。
他们发出大量的热量而且不很可靠。
只要电子学还在依赖电子管，制造需要成千上百万的主动器件的系统是基本不可能的。
1947年BIPOLAR JUNCTION 晶体管的出现标志了固态革命的开始。
这些新的器件很小，便宜，强壮且可靠。
固态电路使便携晶体管收音机和助听器，石英手表和按键式电话，CD播放机和个人电脑成为了可能。
固态器件由表面掺入杂质的晶体组成。
这些杂质改变了晶体的电特性，使它能放大或调制电信号。
要想理解这些是怎么发生的，就需要具备一些器件物理方面的知识。
本章不止包括基本的器件物理学还包括三种最重要的固态器件的工作方式：JUNCTION二极管，BIPOLAR晶体管和场效应管。
第2章阐述了用来生产这些和其他固态器件的生产工艺。
1.1半导体本书的内封面是一张完整的元素周期表。
其中的元素按照性质的相似性组成行和列。
元素周期表的左边的元素被称为金属，而那些在右边的元素被成为非金属。
金属通常是热和电的良导体。
他们可延展且有金属光泽。
非金属是热和电的不良导体，那些固体非金属易碎且没有金属光泽。
元素周期表中间的一些元素，比如硅和锗，他们的电气特性介于金属和非金属之间。
这些元素被称为半导体。
金属，半导体和非金属之间的差别是由他们的原子的电子结构决定的。
每一个原子由带正电的原子核和包围核子的电子云组成。
电子云中的电子数目等于原子核中的质子数目，也等于该元素的原子序数。
因此一个碳原子有6个电子因为碳在元素周期表中的原子序数是6。
这些电子占据了一系列的跟洋葱的层有些相似的SHELLS。
随着电子的增加，SHELL以从最里面到外面的方向被填充。
最外面的或称为valence SHELL可以是不完全填充的。
在最外面SHELL中的电子被称为价电子。
元素的价电子的数目决定了它的大部分的化学和电特性。
元素周期表中的每一行就代表了一个SHELL的填充情况。
最左边的元素有一个价电子，而最右边的元素则把valence shell充满了。
Valence shell充满的原子有特别的结构。
那些valence shell未充满的原子会共用电子，那么他们也就有了完全充满的SHELL。
共用电子的原子之间因为静电吸引而形成了一种化学键。
根据填充valence shell使用的不同的方法，一共有3种键。
金属元素原子，比如钠，他们之间形成的是金属键。
想象一下一组靠的很近的钠原子。
每一个原子都有一个围绕填充满的内SHELL旋转的价电子。
假设所有的钠原子都丢弃了他们的价电子。
被丢弃的电子始终被带正电的钠原子吸引着，但由于现在每个原子都有了一个充满的valence shell，没有原子会接收这些电子。
图1.1A是简化的钠晶体。
静电力使钠原子处于一个常规结构。
被丢弃的价电子能在晶体里自由移动。
由于金属钠拥有无数的自由电子所以它是极好的电导体。
（1 一些金属是用空穴而不是电子来导电的，但本书中的结论仍旧可以应用。
）同样也是这些电子导致了他们表现出来的金属光泽和高的热传导率。
其他金属也有相似的晶体结构，他们都是靠价电子和带正电的原子核结构之间的金属键保持在一起。
图1.1不同化学键的简图：钠晶体的金属键（A），氯化钠的离子键（B），和氯分子的共价键（C）。
金属和非金属之间形成的是离子键。
想象一下一对靠的很近的钠原子和氯原子。
钠原子有一个价电子，而氯原子正好缺一个电子来形成一个充满的valence shell。
钠原子可以把自己的一个电子给氯原子，这样大家都有了充满的外层SHELLS。
交换之后，钠原子带正电，氯原子带负电。
这两个带电的原子（或离子）互相吸引。
这样处于结构中的钠离子和氯离子就形成了固体氯化钠晶体（图1.1B）。
晶体状的氯化钠是电的不良导体，因为它所有的电子都被束缚在不同原子的SHELLS里了。
非金属元素原子之间形成的是共价键。
想象一下两个靠的很近的氯原子。
每个原子有7个价电子，而充满它的valence shell需要8个电子。
假设每个原子都捐献一个价电子形成一对公用电子对，那么每个氯原子就有8个价电子了：6个它自己的，加上2个共用的电子。
两个氯原子靠他们之间的共用电子对形成了一个分子（图1.1C）。
共用电子对形成了共价键。
缺少自由价电子就是非金属元素为什么不导电和没有金属光泽的原因。
许多非金属在室温下气体，因为这些电中性的分子不能互相吸引，也因此不能称为液体或固体。
半导体原子之间也是共价键。
试讨论一下硅原子，一种典型的半导体。
每个原子有4个价电子，为了形成valence shell它还需要4个电子。
两个硅原子理论上能共用他们的价电子来充满SHELLS。
实际上这不会发生，因为8个互相捆在一起的电子会互相排斥。
相反，每个硅原子和它周围的4个硅原子共用一个电子对。
通过这个方法，价电子分散到4个不同的地方且他们之间互相的排斥最小。
图1.2 是简化的硅晶体图。
每个小圆圈代表一个硅原子。
圆圈之间的每根线代表了一对共用价电子形成的共价键。
这样每个硅原子有了8个电子（4对共用电子对），所以每个原子都有了充满的valence shells。
这些原子靠他们之间的共价键形成了分子网络。
这些无数的格子代表了硅晶体的结构。
整个晶体就是一个分子，因此晶体状的硅很坚固很硬，且它的熔点很高。
硅通常来说是电的不良导体因为它所有的价电子都用来形成晶体结构。
图1.2硅晶体的简化二维图。
理论上第4组中的元素，包括碳，硅，锗，锡和铅（2 。
第3，4，5和6组的元素在完整的元素周期表的列III-B,IV-B,V-B和VI-B中。
第2组的元素在列II-A或II-B中。
A/B数字系统是个历史问题，国际理论和应用化学联合会（IUPAC）已经建议放弃使用；参见J.Hudson, The History of Chemistry(New York: C hapman and Hall,1992),pp.122-137.）都能形成相似的大分子晶体。
碳，作为钻石的形式，在第4组元素中有最强的键。
钻石晶体以它的强度和硬度而闻名。
硅和锗的键稍微弱一点，due to the presence of filled i nner shells that partially shield the valence electrons from the nucleus.由于众多的内部SHELLS锡和铅的的键就更弱了；他们通常形成金属键晶体而不是共价键大分子。
在第4组元素中，只有硅和锗有中等强度的键。
这两种元素才是真正的半导体，而碳是非金属，锡和铅都是金属。
1.1.1产生和复合第4组的元素的导电能力随着原子序数的增加而增加。
碳在钻石的情况下是一个真正的绝缘体。
硅和锗导电能力稍微高一点，但他们相对于金属比如锡和铅仍旧差很多。
由于他们的介于中间的导电能力，所以硅和锗被称为半导体。
有导电能力就意味着有自有电子。
为了能导电，半导体至少要有些价电子能逃逸出来。
实验也确实证明在纯硅和锗中有很小但可测量的自由电子浓度。
自由电子的存在表示有某种途径提供了打破共价键所需的能量。
热力学统计原理认为这个能量来自于晶体结构中的随机热运动。
尽管一个电子的平均热能相对来说很小（小于0.1电子伏特）这些能量也是随机分布的，但大量的电子就拥有了大量的能量。
价电子脱离晶体结构的所需的能量称为bandgap energy. 有高bandgap energy的物质有强的共价键，应此有更少的自由电子。
有低bandgap energy的物质有更多的自由电子相应的有更好的导电能力。
（表1.1）。
表1.1 第4组元素的部分性质。
当电子逃逸出结构时就产生了一个空缺。
原来拥有满的OUTER SHELL的原子现在缺了一个价电子，因此带正电。
图1.3是这种情况的简单图示。
离子化的原子如果能从邻近的原子捕获一个电子的话，那么它又能回到满VALENCE SHELL的状态。