半导体基础知识

1．什么是导体、绝缘体、半导体？

容易导电的物质叫导体，如：金属、石墨、人体、大地以及各种酸、碱、盐的水溶液等都是导体。

不容易导电的物质叫做绝缘体，如：橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、油、空气等都是绝缘体。

所谓半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。如：硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等。半导体大体上可以分为两类，即本征半导体和杂质半导体。本征半导体是指纯净的半导体，这里的纯净包括两个意思，一是指半导体材料中只含有一种元素的原子；二是指原子与原子之间的排列是有一定规律的。本征半导体的特点是导电能力极弱，且随温度变化导电能力有显著变化。杂质半导体是指人为地在本征半导体中掺入微量其他元素（称杂质）所形成的半导体。杂质半导体有两类：N型半导体和P型半导体。

2．半导体材料的特征有哪些？

（1）导电能力介于导体和绝缘体之间。

（2）当其纯度较高时，电导率的温度系数为正值，随温度升高电导率增大；金属导体则相反，电导率的温度系数为负值。

（3）有两种载流子参加导电，具有两种导电类型：一种是电子，另一种是空穴。同一种半导体材料，既可形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。

（4）晶体的各向异性。

3．简述N型半导体。

常温下半导体的导电性能主要由杂质来决定。当半导体中掺有施主杂质时，主要靠施主提供电子导电，这种依靠电子导电的半导体叫做N型半导体。

例如：硅中掺有Ⅴ族元素杂质磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）时，称为N型半导体。

4．简述P型半导体。

当半导体中掺有受主杂质时，主要靠受主提供空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体叫做P型半导体。

例如：硅中掺有Ⅲ族元素杂质硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）时，称为P型半导体。

5．什么是半绝缘半导体材料？

定义电阻率大于107Ω*cm的半导体材料称为半绝缘半导体材料。

如：掺Cr的砷化镓，非掺杂的砷化镓为半绝缘砷化镓材料。

掺Fe的磷化铟，非掺杂的磷化铟经退火为半绝缘磷化铟材料。

6．什么是单晶、多晶？

单晶是原子或离子沿着三个不同的方向按一定的周期有规则地排列，并沿一致的晶体学取向所堆垛起来的远程有序的晶体。

多晶则是有多个单晶晶粒组成的晶体，在其晶界处的颗粒间的晶体学取向彼此不同，其周期性与规则性也在此处受到破坏。

7．常用半导体材料的晶体生长方向有几种？

我们实际使用单晶材料都是按一定的方向生长的，因此单晶表现出各向异性。单晶生长的这种方向直接来自晶格结构，常用半导体材料的晶体生长方向是<111>和<100>。

规定用<111>和<100>表示晶向，用（111）和（100）表示晶面。

8．什么是电导率和电阻率？

所有材料的电导率（σ）可用下式表达：

σ=neμ

其中n为载流子浓度，单位为cm-3；e为电子的电荷，单位为C（库仑）；μ为载流子的迁移率，单位为cm2/V*s；电导率单位为S/cm（S为西门子）。

电阻率ρ=1/σ，单位为Ω*cm

9．PN结是如何形成的？它具有什么特性？

如果用工艺的方法，把一边是N型半导体另一边是P型半导体结合在一起，这时N型半导体中的多数载流子电子就要向P型半导体一边渗透扩散。结果是N型区域中邻近P型区一边的薄层A中有一部分电子扩散到P型区域中去了，如图2-6所示（图略）。薄层A中因失去了这一部分电子而带有正电。同样，P型区域中邻近N型区域一边的薄层B中有一部分空穴扩散到N型区域一边去了，如图2-7所示（图略）。结果使薄层B带有负电。这样就在N型和P型两种不同类型半导体的交界面两侧形成了带电薄层A和B（其中A带正电，B带负电）。A、B间便产生了一个电场，这个带电的薄层A和B，叫做PN结，又叫做阻挡层。

当P型区域接到电池的正极，N型区域接到电池的负极时，漂移和扩散的动态平衡被破坏，在PN 结中流过的电流很大（这种接法称为正向连接）。这时，电池在PN结中所产生的电场的方向恰好与PN 结原来存在的电场方向相反，而且外加电场比PN结电场强，这两个电场叠加后电场是由P型区域指向N型区域的。因此，PN结中原先存在的电场被削弱了，阻挡层的厚度减小了，所以正向电流将随着外加正向电压的增加而迅速地上升。

当P型区域接到电池的负极，N型区域接到电池的正极时，在PN结中流过的电流很小（这种接法称为反向连接）。这是由于外加电压在PN结中所产生的电场方向是由N型区指向P型区，也即与原先在PN结中存在的电场方向是一致的。这两个电场叠加的结果，加强了电场阻止多数载流子的扩散运动，此时，阻挡层的厚度比原来增大，原来漂移和扩散的动态平衡也被破坏了，漂移电流大于扩散电流，正是这个电流造成反向漏电流。PN结的这种性质叫做单向导电性。

10．何谓PN结的击穿特性？

对PN结施加的反向偏压增大到某一数值时，反向电流突然开始迅速增大，这种现象称为PN结击穿。发生击穿时的反向偏压称为击穿电压，以V B表示。击穿现象中，电流增大基本原因不是由于迁移率的增大，而是由于载流子数目的增加。到目前为止，基本上有三种击穿机构：热电击穿、雪崩击穿和隧道击穿。从击穿的后果来看，可以分为物理上可恢复的和不可恢复的击穿两类。热电击穿属于后一类情况，它将造成PN结的永久性损坏，在器件应用时应尽量避免发生此类击穿。雪崩击穿和隧道击穿属于可恢复性的，即撤掉电压后，在PN结内没有物理损伤。

11．试述什么是光电二极管。

当光照到PN结上时，光能被吸收进入晶格，使电子的能级提高，这就导致某些电子脱离它们的原子，因此产生了自由电子与空穴。在光电导光电二极管中，在PN结上加一反向电压，由光能在结构附近产生了电子与空穴，它们被电场吸引从相反的方向穿过结形成电流，电流从负载电阻流出产生了输出信号。光的强度越高，产生的空穴与自由电子就越多，电流也就越大。没有光时，电流只有PN结的小的反向漏电流，这种电流称为暗电流。

12．何谓欧姆接触？

金属与半导体间没有整流作用的接触称为欧姆接触。实际上的欧姆接触几乎都是采用金属-N+N半导体或金属-P+P半导体的形式制成的。在这种接触中，金属与重掺杂的半导体区接触，接触界面附近存在大量的复合中心，而且电流通过接触时的压降也往往小到可以不计。

制造欧姆接触的方法有两种。如果金属本身是半导体的施主或受主元素，而且在半导体中有高的固溶度，就用合金法直接在半导体中形成金属-N+或金属-P+区。如果金属本身不是施主或受主元素，可在