科普 | 現(xiàn)代半導(dǎo)體的基本知識

導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體

物質(zhì)按導(dǎo)電性能可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。物質(zhì)的導(dǎo)電特性取決于原子結(jié)構(gòu)。

（1） 導(dǎo)體

導(dǎo)體一般為低價元素, 如銅、鐵、鋁等金屬, 其最外層電子受原子核的束縛力很小, 因而極易掙脫原子核的束縛成為自由電子。因此在外電場作用下, 這些電子產(chǎn)生定向運動(稱為漂移運動)形成電流, 呈現(xiàn)出較好的導(dǎo)電特性。

（2） 絕緣體

高價元素(如惰性氣體)和高分子物質(zhì)(如橡膠, 塑料)最外層電子受原子核的束縛力很強, 極不易擺脫原子核的束縛成為自由電子, 所以其導(dǎo)電性極差, 可作為絕緣材料。

（3） 半導(dǎo)體

半導(dǎo)體的最外層電子數(shù)一般為4個，既不像導(dǎo)體那樣極易擺脫原子核的束縛, 成為自由電子, 也不像絕緣體那樣被原子核束縛得那么緊, 因此, 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性介于二者之間。常用的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、硒等。

半導(dǎo)體的獨特性能

金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率一般在105s/cm量級；塑料、云母等絕緣體的電導(dǎo)率通常是10-22~10-14s/cm量級；半導(dǎo)體的電導(dǎo)率則在10-9~102s/cm量級。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但半導(dǎo)體的應(yīng)用卻極其廣泛，這是由半導(dǎo)體的獨特性能決定的：

光敏性——半導(dǎo)體受光照后，其導(dǎo)電能力大大增強

熱敏性——受溫度的影響，半導(dǎo)體導(dǎo)電能力變化很大；

摻雜性——在半導(dǎo)體中摻入少量特殊雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力極大地增強；

半導(dǎo)體材料的獨特性能是由其內(nèi)部的導(dǎo)電機理所決定的。

本征半導(dǎo)體

純凈晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材料是硅和鍺, 它們都是四價元素, 在原子結(jié)構(gòu)中最外層軌道上有四個價電子。

為便于討論, 采用圖所示的簡化原子結(jié)構(gòu)模型。

把硅或鍺材料拉制成單晶體時, 相鄰兩個原子的一對最外層電子(價電子)成為共有電子, 它們一方面圍繞自身的原子核運動, 另一方面又出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上。即價電子不僅受到自身原子核的作用, 同時還受到相鄰原子核的吸引。

于是, 兩個相鄰的原子共有一對價電子, 組成共價鍵結(jié)構(gòu)。故晶體中, 每個原子都和周圍的４個原子用共價鍵的形式互相緊密地聯(lián)系起來。

從共價鍵晶格結(jié)構(gòu)來看，每個原子外層都具有8個價電子。但價電子是相鄰原子共用，所以穩(wěn)定性并不能象絕緣體那樣好。

受光照或溫度上升影響，共價鍵中價電子的熱運動加劇，一些價電子會掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子。

游離走的價電子原位上留下一個不能移動的空位，叫空穴。

由于熱激發(fā)而在晶體中出現(xiàn)電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。

本征激發(fā)的結(jié)果，造成了半導(dǎo)體內(nèi)部自由電子載流子運動的產(chǎn)生，由此本征半導(dǎo)體的電中性被破壞，使失掉電子的原子變成帶正電荷的離子。

由于共價鍵是定域的，這些帶正電的離子不會移動，即不能參與導(dǎo)電，成為晶體中固定不動的帶正電離子。

受光照或溫度上升影響，共價鍵中其它一些價電子直接跳進空穴，使失電子的原子重新恢復(fù)電中性。價電子填補空穴的現(xiàn)象稱為復(fù)合。

參與復(fù)合的價電子又會留下一個新的空位，而這個新的空穴仍會被鄰近共價鍵中跳出來的價電子填補上，這種價電子填補空穴的復(fù)合運動使本征半導(dǎo)體中又形成一種不同于本征激發(fā)下的電荷遷移，為區(qū)別于本征激發(fā)下自由電子。

載流子的運動，我們把價電子填補空穴的復(fù)合運動稱為空穴載流子運動。

自由電子載流子運動可以形容為沒有座位人的移動；空穴載流子運動則可形容為有座位的人依次向前挪動座位的運動。半導(dǎo)體內(nèi)部的這兩種運動總是共存的，且在一定溫度下達到動態(tài)平衡。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理：

半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理與金屬導(dǎo)體導(dǎo)電機理有本質(zhì)上的區(qū)別：

金屬導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子參與導(dǎo)電；而半導(dǎo)體中則是本征激發(fā)下的自由電子和復(fù)合運動形成的空穴兩種載流子同時參與導(dǎo)電。兩種載流子電量相等、符號相反，即自由電子載流子和空穴載流子的運動方向相反。

結(jié)論：

1. 本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少

2. 半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電

3. 本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)。

4.雜質(zhì)半導(dǎo)體

1. 本征半導(dǎo)體

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。

本征半導(dǎo)體是—種化學(xué)成分純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為"九個9"。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。

(1) 本征半導(dǎo)體的熱敏性、光敏性和摻雜性

① 熱敏性、光敏性—本質(zhì)半導(dǎo)體在溫度升高或光照情況下，導(dǎo)電率明顯提高。

② 摻雜性—在本征半導(dǎo)體中摻入某種特定的雜質(zhì)，成為雜質(zhì)半導(dǎo)體后，其導(dǎo)電率會明顯的發(fā)生改變。

(2) 電子空穴對

在絕對溫度0K時，半導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，將有少數(shù)電子能掙脫原子核的束縛而成為自由電子，流下的空位稱為空穴，這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)(也稱熱激發(fā))。在本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。自由電子和空穴在半導(dǎo)體中都是導(dǎo)電粒子，稱它們?yōu)檩d流子。

2. N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

(1) N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子(多子),它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數(shù)載流子(少子), 由熱激發(fā)形成。

(2)P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一空穴。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成;電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。

半導(dǎo)體的電阻率為10-3～10-9 ??cm。

典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。

本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性

本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。

制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。

(1) 本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見圖。

(2) 電子空穴對

當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0 K時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)(也稱熱激發(fā))。

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如圖所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。

(3) 空穴的移動

自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。

雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

(1) N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。

因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖所示。

(2) P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。

因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一空穴。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成;電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖01.05 P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖

雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K 室溫下,本征硅的電子和空穴濃度為:

n = p =1.4×1010/cm3

本征硅的原子濃度: 4.96×1022 /cm3

摻雜后，N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度為：n=5×1016 /cm3

在本征半導(dǎo)體中，有選擇地摻入少量其它元素，會使其導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。這些少量元素統(tǒng)稱為雜質(zhì)。摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻入的雜質(zhì)不同，有N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體兩種。

（1）Ｎ型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中, 摻入微量５價元素, 如磷、銻、砷等, 則原來晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子的最外層有５個價電子, 因此它與周圍４個硅(鍺)原子組成共價鍵時, 還多余 1 個價電子。它不受共價鍵的束縛, 而只受自身原子核的束縛, 因此, 它只要得到較少的能量就能成為自由電子, 并留下帶正電的雜質(zhì)離子, 它不能參與導(dǎo)電。

顯然, 這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中電子濃度遠遠大于空穴的濃度, 即nn>>pn(下標(biāo)ｎ表示是Ｎ型半導(dǎo)體), 主要靠電子導(dǎo)電, 所以稱為Ｎ型半導(dǎo)體。由于５價雜質(zhì)原子可提供自由電子, 故稱為施主雜質(zhì)。Ｎ型半導(dǎo)體中, 自由電子稱為多數(shù)載流子；空穴稱為少數(shù)載流子。

（2）P型半導(dǎo)體

在本征硅(或鍺)中摻入少量的三價元素，如硼、鋁、銦等，就得到P型半導(dǎo)體。這時雜質(zhì)原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三個價電子和相鄰的四個硅原子組成共價鍵時，只有三個共價鍵是完整的，第四個共價鍵因缺少一個價電子而出現(xiàn)一個空位。

（3）P 型、N 型半導(dǎo)體的簡化圖示

N型半導(dǎo)體：自由電子稱為多數(shù)載流子；空穴稱為少數(shù)載流子，載流子數(shù) 電子數(shù)

P型半導(dǎo)體：空穴稱為多數(shù)載流子；自由電為少數(shù)載流子，載流子數(shù) 空穴數(shù)

PN結(jié)

（1）PN 結(jié)的形成

1） 載流子的濃度差引起多子的擴散

在一塊完整的晶片上,通過一定的摻雜工藝,一邊形成P型半導(dǎo)體,另一邊形成N型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體有機地結(jié)合在一起時，因為P區(qū)一側(cè)空穴多，N區(qū)一側(cè)電子多，所以在它們的界面處存在空穴和電子的濃度差。于是P區(qū)中的空穴會向N區(qū)擴散，并在N區(qū)被電子復(fù)合。而N區(qū)中的電子也會向P區(qū)擴散，并在P區(qū)被空穴復(fù)合。這樣在P區(qū)和N區(qū)分別留下了不能移動的受主負離子和施主正離子。上述過程如圖(a)所示。結(jié)果在界面的兩側(cè)形成了由等量正、負離子組成的空間電荷區(qū)，如圖(b)所示。

2）復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)（耗盡層）

空間電荷區(qū)的特點：無載流子，阻止擴散進行，利于少子的漂移。

3）擴散和漂移達到動態(tài)平衡

擴散電流等于漂移電流，總電流 I= 0。

（2） PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?/strong>

在PN結(jié)兩端外加電壓,稱為給PN結(jié)以偏置電壓。

1） PN結(jié)正向偏置

給PN結(jié)加正向偏置電壓,即P區(qū)接電源正極,N區(qū)接電源負極,此時稱PN結(jié)為正向偏置(簡稱正偏)。由于外加電源產(chǎn)生的外電場的方向與PN結(jié)產(chǎn)生的內(nèi)電場方向相反,削弱了內(nèi)電場,使PN結(jié)變薄,有利于兩區(qū)多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U散,形成正向電流,此時PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)。

2．PN結(jié)反向偏置

給PN結(jié)加反向偏置電壓,即N區(qū)接電源正極,P區(qū)接電源負極,稱PN結(jié)反向偏置(簡稱反偏)。

由于外加電場與內(nèi)電場的方向一致,因而加強了內(nèi)電場,使PN結(jié)加寬,阻礙了多子的擴散運動。在外電場的作用下,只有少數(shù)載流子形成的很微弱的電流,稱為反向電流。

注：少數(shù)載流子是由于熱激發(fā)產(chǎn)生的,因而PN結(jié)的反向電流受溫度影響很大。

結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?即加正向電壓時導(dǎo)通,加反向電壓時截止。

PN結(jié)的擊穿特性

當(dāng)加于PN結(jié)的反向電壓增大到一定值時，反向電流會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)擊穿。PN結(jié)發(fā)生反向擊穿的機理可以分為兩種。

1)雪崩擊穿

在輕摻雜的PN結(jié)中，當(dāng)外加反向電壓時，耗盡區(qū)較寬，少子漂移通過耗盡區(qū)時被加速，動能增大。當(dāng)反向電壓大到一定值時，在耗盡區(qū)內(nèi)被加速而獲得高能的少子，會與中性原子的價電子相碰撞，將其撞出共價鍵，產(chǎn)生電子、空穴對。新產(chǎn)生的電子、空穴被強電場加速后，又會撞出新的電子、空穴對。

2)齊納擊穿

在重摻雜的PN結(jié)中，耗盡區(qū)很窄，所以不大的反向電壓就能在耗盡區(qū)內(nèi)形成很強的電場。當(dāng)反向電壓大到一定值時，強電場足以將耗盡區(qū)內(nèi)中性原子的價電子直接拉出共價鍵，產(chǎn)生大量電子、空穴對，使反向電流急劇增大。這種擊穿稱為齊納擊穿或場致?lián)舸?。一般來說，對硅材料的PN結(jié)，UBR>7V時為雪崩擊穿；UBR <5V時為齊納擊穿；UBR介于5~7V時，兩種擊穿都有。