半导体及其相关知识

半导体

现在市场上的半导体大多是硅元素.但是半导体大多数都在过度元素部分找,详情见元素周期表。

不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。

本征半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，因此，不宜直接用它制造半导体器件。半导体器件多数是用含有一定数量的某种杂质的半导体制成。根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体两种。

什么是N型半导体？P型半导体？

在纯净的硅晶体(本征半导体)中掺入五价元素（如磷，锑，砷等），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。

在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼、铟等。），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体。

主要的掺杂方法有离子注入和热扩散

原理

N型半导体

在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的5价元素，例如磷，则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子，占据晶格上的某些位置。如图Z0103所示。

由图可见，磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构，多余的1个价电子在共价键之外，只受到磷原子对它微弱的束缚，因此在室温下，即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子，游离于晶格之间。失去电子的磷原子则成为不能移动的正离子。磷原子由于可以释放1个电子而被称为施主原子，又称施主杂质。

在本征半导体中每掺入1个磷原子就可产生1个自由电子，而本征激发产生的空穴的数目不变。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子（简称多子），空穴则为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是电子，故这种半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。

P型半导体

硼元素最外层只有三个电子，而硅最外层有四个电子，硼掺进去后，与硅就不能形成稳定的8个电子的结构，形成一个空穴。这个空穴相当于一个正电子。可在导体中运动。

在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的3价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子，占据晶格上的某些位置，如图Z0104所示。由图可知，硼原子的3个价电子分别与其邻近的3个硅原子中的3个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另1个硅原子的共价键中则缺少1个电子，出现了1个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使3价的硼原子获得了1个电子而变成负离子。同时，邻近共价键上出现1个空穴。由于硼原子起着接受电子的作用，故称为受主原子，又称受主杂质。

在本征半导体中每掺入1个硼原子就可以提供1个空穴，当掺入一定数量的硼原子时，就可以使半导体中空穴的数目远大于本征激发电子的数目，成为多数载流子（多子），而电子则成为少数载流子（少子）。显然，参与导电的主要是空穴，故这种半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。

P型半导体中，空穴浓度远大于自由电子浓度。空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。

为什么N型半导体一定要用5价元素？P型要用3价？

五价元素可提供一个自由电子，但如果用六价的就能提供两个，不是更好吗？六价的它容易与四价的半导体材料形成稳定的化合键如，SIO2。

那用七价的呢？

一些材料与七价元素形成的化合物不是固体。如SICL4是液体。

如果我们用一价元素代替三价元素制造P型半导体可行吗？

一价元素基本上都是金属，都不能与四价元素反应形成化合物。

什么是P-N结？

在半导体材料硅或锗晶体中掺入三价元素杂质可构成缺壳粒的P型半导体，掺入五价元素杂质可构成多余壳粒的N形半导体。两种半导体接触在一起的点或面构成P-N结。P-N结有单向导电的特性，即：正向导通，反向截止。

单向导电原理

●在P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的

作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。

●N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。

●当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩

散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。

●空穴和电子相遇而复合，载流子消失。

●因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的

固定离子，称为空间电荷区（也叫阻挡层、接触电位差）。

●P 型半导体一边的空间电荷是负离子，N 型半导体一边的空间电荷是正离

子。正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。

正向电压：如果在P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N 型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。即阻挡层变薄接触电位差变小，电阻变小。

如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。即阻挡层变厚接触电位差变大，电阻变大。这就是PN结的单向导电性。

PN结加反向电压时，空间电荷区变宽，区中电场增强。反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。基本的击穿机构有两种，即隧道击穿（也叫齐纳击穿）和雪崩击穿，前者击穿电压小于0.6V，有负的温度系数，后者击穿电压大于0.6V，有正的温度系数。PN结加反向电压时，空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变。

禁带宽度

band gap

energy gap

禁带宽度是指一个能带宽度(单位是电子伏特(ev)).固体中电子的能量是不可以连续取值的,而是一些不连续的能带。要导电就要有自由电子存在。自由电子存在的能带称为导带(能导电)。被束缚的电子要成为自由电子,就必须获得足够能量从而跃迁到导带。

允带和允带之间（只要是指价带和导带之间）能带就是禁带，不允许载流子存在的能量区间。禁带宽度指导带中最低能级（导带底）和价带最高能级（价带顶）的能量之差。单位一般是eV，电子伏。

对于包括半导体在内的晶体，其中的电子既不同于真空中的自由电子，也不同于孤立原子中的电子。真空中的自由电子具有连续的能量状态，即可取任何大小的能量；而原子中的电子是处于所谓分离的能级状态。晶体中的电子是处于所谓能带状态，能带是由许多能级组成的，能带与能带之间隔离着禁带，电子就分布在能带中的能级上，禁带是不存在公有化运动状态的能量范围。半导体最高能量的、也是最重要的能带就是价带和导带。导带底与价带顶之间的能量差即称为禁带宽度（或者称为带隙、能隙）。

禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。

半导体价带中的大量电子都是价键上的电子（称为价电子），不能够导电，即不是载流子。只有当价电子跃迁到导带（即本征激发）而产生出自由电子和自由空穴后，才能够导电。空穴实际上也就是价电子跃迁到导带以后所留下的价键空位（一个空穴的运动就等效于一大群价电子的运动）。因此，禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量，也就是产生本征激发所需要的最小能量。

半导体

半导体（semiconductor）指电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率约在10-5～107欧·米之间，温度升高时电阻率指数则减小。

半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类：锗和硅是最常用的元素半导体；

化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。

除上述晶态半导体外，还有非晶态半导体如玻璃半导体、有机半导体等。如果用适当波长的光照射半导体，那么电子在吸收了光子后将由价带跃迁到导带，而在价带上留下一个空穴，这种现象称为光吸收．要发生光吸收必须满足能量守恒定律，也就是被吸收光子的能量要大于禁带宽度E g，即

hν≥E g（1）

其中h是普朗克常量，ν是光的频率．若光子能量小于禁带宽度，则光不能被吸收，而透射过晶体，这时晶体是透明的．例如食盐（NaCl）晶体，它的禁带宽度很大，约有10eV，所有光都能透射过去，因此它是透明的．而半导体晶体的禁带宽度在1eV左右，例如硅的禁带宽度是1.1eV，砷化镓的禁带宽度是1.4eV，由式（1）可算出吸收光的波长（λ＝c/ν，c

是光速）分别为1.127μm和0.885μm，属于红外光范围．凡波长比上述波长短的光，即可见