半导体物理基础知识

半导体物理基础知识

1.1导体，绝缘体和半导体

自然界的各种物质就其导电性能来说、可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。

导体具有良好的导电特性，常温下，其内部存在着大量的自由电子，它们在外电场的作用下做定向运动形成较大的电流。因而导体的电阻率很小，只有金属一般为导体，如铜、铝、银等，它们的电阻率一般在10–4欧姆·厘米以下。

绝缘体几乎不导电，如橡胶、陶瓷、塑料等。在这类材料中，几乎没有自由电子，即使受外电场作用也不会形成电流，所以，绝缘体的电阻率很大，它们的电阻率在109欧姆·厘米以上。

半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、硒等，它们的电阻率通常在之间。半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。如纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为，若按百万分之一的比例掺入少量杂质（如磷）后，其电阻率急剧下降为，几乎降低了一百万倍。半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。它具有如下的主要特征。

（l）杂质影响半导体导电性能在室温下，半导体的电阻率在10–4～109欧姆·厘米之间。而且，加入微量杂质能显著改变半导体的导电能力。掺入的杂质量不同时，可使半导体的电阻率在很大的范围内发生变化。另外，在同一种材料中掺入不同类型的杂质，可以得到不同导电类型的材料。

（2）温度影响半导体材料导电性能温度能显著改变半导体的导电性能。在一般的情况下，半导体的导电能力随温度升高而迅速增加，也就是说，半导体的电阻率具有负温度系数。而金属的电阻率具有正温度系数，且随温度的变化很慢。

（3）有两种载流子参加导电在半导体中，参与导电的载流子有两种。一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载流子，称为空穴。而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。在金属中则仅靠电子导电，而在电解质中，靠正离子和负离子同时导电。

（4）其它外界条件对导电性能的影响半导体的导电能力还会随光照而发生变化。例如一层淀积在绝缘基板上的硫化镉薄膜，其暗电阻约为数十兆欧，当受光照后，其电阻可下降到数十千欧。这种现象称为光电导效应。此外，半导体的导电能力还会随电场、磁场、压力和环境的作用而变化，具有其它特性和效应。

物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。表1-1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的大致范围。

1.2半导体材料的类别

元素半导体

元素周期表中, 已经知道有十来个元素具有半导体性质，其中，形态稳定、工艺成熟的只有硅、锗、硒三种。硅具有优良的半导体性质，是现代最主要的半导体材料，已在晶体管、集成电路及其它器件中大量使用。锗也具有良好的半导体的性质，是重要的半导体材料之一。硒的半导体性质发现得很早，用于制作整流器、光电导器件等。其它元素半导体都还未获得实际应用。

化合物半导体

化合物半导体可分为无机化合物半导体和有机化合物半导体两种。有机化合物半导体仍处研究探索阶段，一般所说的化合物半导体指无机化合物半导体。无机化合物半导体由两种（二元系）或多种（多元系）元素组成。由III族和V族元素组成的III-V族化合物半导体GaAs 是应用最广的化合物半导体，用于制作微波器件、激光器和集成电路。其它如InP、AlP、GaP、InAs、InSb等III-V族化合物半导体，ZnS、CdS、ZnSe、HgSe等II-VI族化合物半导体、IV-IV 族化合物半导体材料SiC等都有一定的应用。多元系化合物半导体用途较少。

固溶半导体

由两个或两个以上具有足够含量的的元素构成的固体溶液，如果具有半导体性质，就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。半导体材料中提纯残留的杂质和有意掺入的杂质与本体材料也形成固溶体，但因这些杂质的含量很低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。另一方面，固溶半导体又与化合物半导体有区别，后者是靠其价键按一定化学配比构成，而固溶体组成元素的含量在其固溶度范围内可连续变化，其半导体及有关性质也随之变化。利用固溶半导体的这一特点可得到性质多样的半导体材料以满足不同的应用要求。主要的固溶体半导体有：元素固溶体Ge-Si，III-V族固溶体Ga1-xAlxAs，II-VI族固溶体HgxCd1-xTe等。

1.3晶体与非晶体

自然界的物质最常见的形态有气态、液态和固态。固态或称固体，又可分为晶体和非晶体。晶体和非晶体的内部结构和物理、化学性质有本质的区别。玻璃、松香和橡胶等是非晶体；锗、硅等半导体芯片材料，铜、铁、铝等金属，以及石英、食盐、金刚石等是晶体。晶体区别于非晶体的主要特征有以下方面：

1 晶体通常具有规则的几何形状如食盐晶体为立方体，石英晶体为六方柱体等；而玻璃、橡胶等非晶体就没有规则的外形。

2 晶体具有固定的熔点晶体在熔化或凝固过程中，保持确定不变的温度，这一温度称为晶体的熔点。只有当晶体全部熔化或全部凝固后，它的温度才发生变化。而非晶体则没有确定的熔点。

3 晶体具有各向异性性晶体的机械、电学、热学、光学等物理和化学性质随其方向不同而不同，非晶体的物理、化学性质则是各向同性的。

以上特征是从外部宏观地来进行分析的，晶体与非晶体的差异由其内部结构不同所决定。晶体内部原子排列高度规则，具有一定的刚性和对称性．非晶体则是一种无定形结构。一般说，由原子或离子有规则的周期性排列构成的固体材料称为晶体。

1.4多晶体和单晶体

晶体有多晶体和单晶体之分。单晶体内的原子（或离子）都按同一规律周期性地排列。

常用的半导体材料锗、硅、砷化镓都制成单晶体。多晶体则由许多取向不同的小单晶体（又称晶粒）组成，多晶体内的原子（或离子）呈局部周期性规则排列，不同的局部区域中原子排列的方向不同。

1.5 N型半导体和P型半导体

掺杂半导体分为N型半导体和P型半导体两类。在锗和硅中掺入磷、砷、锑等V族元素时，这些杂质在锗和硅中起提供电子的作用，使这些半导体以电子导电为主。这类杂质叫做施主杂质。以电子导电为主的杂质半导体称为N型半导体，相应的杂质也叫做N型杂质。而在锗和硅中掺入硼、铝、镓或铟等Ⅲ族元素时，这些杂质在锗和硅中起提供空穴的作用，使这些半导体以空穴导电为主。这类杂质叫做受主杂质。以空穴导电为主的杂质半导体称为P型半导体。相应的杂质也叫做P型杂质。

一般说，施主和受主杂质均为替位式杂质。它们掺入晶体后，要取代晶格中硅原子的位置。见图4- 2。

图4- 2 硅中施主杂质和受主杂质

图4- 2（a）中，磷原子有五个价电子，由于硅晶体中每个原子只有四个近邻原子，因此，在硅原子位置上的磷原子在同周围硅原子组成共价键结合时，只需四个电子，还多一个电子。这个多余的电子不受共价键束缚，因此容易挣脱束缚，变成导带电子。这种能释放电子的杂质称为施主杂质或N型杂质。使这个多余电子激发到导带所需的能量称为施主杂质电离能。

图4- 2（b）中，硼原子有三个价电子，它同周围硅原子组成共价键时，还缺一个电子，需要从附近硅原子价键中夺取一个电子补充，原子便多一个电子，成为负离子，同时，在晶体中产生一个空穴。空穴容易挣脱硼离子的束缚成为价带中的导电空穴。这种接受电子而产生空穴的杂质称为受主杂质。使空穴挣脱束缚成为价带导电空穴所需能量称作受主杂质电离能。

由于杂质能级靠近导带底和价带顶，所以电离能远小于禁带宽度。室温下几乎所有杂质都是电离的，而本征激发要难得多。通常情况下，杂质半导体载流子浓度比本征半导体载流子浓度高得多，导电能力因此也强得多。

1.6多数载流子与少数载流子