科普 | 現代半導體的基本知識

導體、絕緣體和半導體

物質(zhì)按導電性能可分為導體、絕緣體和半導體。物質(zhì)的導電特性取決于原子結構。

（1） 導體

導體一般為低價(jià)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(chǎng)作用下, 這些電子產(chǎn)生定向運動(dòng)(稱(chēng)為漂移運動(dòng))形成電流, 呈現出較好的導電特性。

（2） 絕緣體

高價(jià)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, 所以其導電性極差, 可作為絕緣材料。

（3） 半導體

半導體的最外層電子數一般為4個(gè)，既不像導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, 半導體的導電特性介于二者之間。常用的半導體材料有硅、鍺、硒等。

半導體的獨特性能

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

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

光敏性——半導體受光照后，其導電能力大大增強

熱敏性——受溫度的影響，半導體導電能力變化很大；

摻雜性——在半導體中摻入少量特殊雜質(zhì)，其導電能力極大地增強；

半導體材料的獨特性能是由其內部的導電機理所決定的。

本征半導體

純凈晶體結構的半導體稱(chēng)為本征半導體。常用的半導體材料是硅和鍺, 它們都是四價(jià)元素, 在原子結構中最外層軌道上有四個(gè)價(jià)電子。

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

于是, 兩個(gè)相鄰的原子共有一對價(jià)電子, 組成共價(jià)鍵結構。故晶體中, 每個(gè)原子都和周?chē)模磦€(gè)原子用共價(jià)鍵的形式互相緊密地聯(lián)系起來(lái)。

從共價(jià)鍵晶格結構來(lái)看，每個(gè)原子外層都具有8個(gè)價(jià)電子。但價(jià)電子是相鄰原子共用，所以穩定性并不能象絕緣體那樣好。

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

游離走的價(jià)電子原位上留下一個(gè)不能移動(dòng)的空位，叫空穴。

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

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

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

受光照或溫度上升影響，共價(jià)鍵中其它一些價(jià)電子直接跳進(jìn)空穴，使失電子的原子重新恢復電中性。價(jià)電子填補空穴的現象稱(chēng)為復合。

參與復合的價(jià)電子又會(huì )留下一個(gè)新的空位，而這個(gè)新的空穴仍會(huì )被鄰近共價(jià)鍵中跳出來(lái)的價(jià)電子填補上，這種價(jià)電子填補空穴的復合運動(dòng)使本征半導體中又形成一種不同于本征激發(fā)下的電荷遷移，為區別于本征激發(fā)下自由電子。

載流子的運動(dòng)，我們把價(jià)電子填補空穴的復合運動(dòng)稱(chēng)為空穴載流子運動(dòng)。

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

半導體的導電機理：

半導體的導電機理與金屬導體導電機理有本質(zhì)上的區別：

金屬導體中只有自由電子一種載流子參與導電；而半導體中則是本征激發(fā)下的自由電子和復合運動(dòng)形成的空穴兩種載流子同時(shí)參與導電。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(dòng)方向相反。

結論：

1. 本征半導體中電子空穴成對出現，且數量少

2. 半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電

3. 本征半導體導電能力弱，并與溫度有關(guān)。

4.雜質(zhì)半導體

1. 本征半導體

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

本征半導體是—種化學(xué)成分純凈、結構完整的半導體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱(chēng)為"九個(gè)9"。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。

(1) 本征半導體的熱敏性、光敏性和摻雜性

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

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

(2) 電子空穴對

在絕對溫度0K時(shí)，半導體中沒(méi)有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時(shí)，將有少數電子能掙脫原子核的束縛而成為自由電子，流下的空位稱(chēng)為空穴，這一現象稱(chēng)為本征激發(fā)(也稱(chēng)熱激發(fā))。在本征半導體中自由電子和空穴是同時(shí)成對出現的，稱(chēng)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(chēng)為復合。本征激發(fā)和復合在一定溫度下會(huì )達到動(dòng)態(tài)平衡。自由電子和空穴在半導體中都是導電粒子，稱(chēng)它們?yōu)檩d流子。

2. N型半導體和P型半導體

(1) N型半導體

在本征半導體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導體,也稱(chēng)電子型半導體。因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周?chē)膫€(gè)半導體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導體中自由電子是多數載流子(多子),它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數載流子(少子), 由熱激發(fā)形成。

(2)P型半導體

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

根據物體導電能力(電阻率)的不同，來(lái)劃分導體、絕緣體和半導體。

半導體的電阻率為10-3～10-9 ??cm。

典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。

本征半導體及其導電性

本征半導體——化學(xué)成分純凈的半導體。

制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱(chēng)為“九個(gè)9”。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。

(1) 本征半導體的共價(jià)鍵結構

硅和鍺是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子稱(chēng)為價(jià)電子。它們分別與周?chē)乃膫€(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)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。這種結構的立體和平面示意圖見(jiàn)圖。

(2) 電子空穴對

當導體處于熱力學(xué)溫度0 K時(shí)，導體中沒(méi)有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以?huà)昝撛雍说氖`，而參與導電，成為自由電子。這一現象稱(chēng)為本征激發(fā)(也稱(chēng)熱激發(fā))。

自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱(chēng)呈現正電性的這個(gè)空位為空穴?？梢?jiàn)因熱激發(fā)而出現的自由電子和空穴是同時(shí)成對出現的，稱(chēng)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(chēng)為復合，如圖所示。本征激發(fā)和復合在一定溫度下會(huì )達到動(dòng)態(tài)平衡。

(3) 空穴的移動(dòng)

自由電子的定向運動(dòng)形成了電子電流，空穴的定向運動(dòng)也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過(guò)空穴的運動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現的。

雜質(zhì)半導體

在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導體的導電性發(fā)生顯著(zhù)變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導體稱(chēng)為雜質(zhì)半導體。

(1) N型半導體

在本征半導體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導體,也稱(chēng)電子型半導體。

因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周?chē)膫€(gè)半導體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導體中自由電子是多數載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數載流子, 由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱(chēng)為施主雜質(zhì)。N型半導體的結構示意圖所示。

(2) P型半導體

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

因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一空穴。P型半導體中空穴是多數載流子，主要由摻雜形成;電子是少數載流子，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(jià)雜質(zhì)因而也稱(chēng)為受主雜質(zhì)。P型半導體的結構示意圖。

圖01.05 P型半導體的結構示意圖

雜質(zhì)對半導體導電性的影響

摻入雜質(zhì)對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數據如下:

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 型半導體中的自由電子濃度為：n=5×1016 /cm3

在本征半導體中，有選擇地摻入少量其它元素，會(huì )使其導電性能發(fā)生顯著(zhù)變化。這些少量元素統稱(chēng)為雜質(zhì)。摻入雜質(zhì)的半導體稱(chēng)為雜質(zhì)半導體。根據摻入的雜質(zhì)不同，有N型半導體和P型半導體兩種

（1）Ｎ型半導體

在本征半導體中, 摻入微量５價(jià)元素, 如磷、銻、砷等, 則原來(lái)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(gè)價(jià)電子, 因此它與周?chē)磦€(gè)硅(鍺)原子組成共價(jià)鍵時(shí), 還多余 1 個(gè)價(jià)電子。它不受共價(jià)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, 它不能參與導電。

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

（2）P型半導體

在本征硅(或鍺)中摻入少量的三價(jià)元素，如硼、鋁、銦等，就得到P型半導體。這時(shí)雜質(zhì)原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三個(gè)價(jià)電子和相鄰的四個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，只有三個(gè)共價(jià)鍵是完整的，第四個(gè)共價(jià)鍵因缺少一個(gè)價(jià)電子而出現一個(gè)空位。

（3）P 型、N 型半導體的簡(jiǎn)化圖示

N型半導體：自由電子稱(chēng)為多數載流子；空穴稱(chēng)為少數載流子，載流子數 電子數

P型半導體：空穴稱(chēng)為多數載流子；自由電子稱(chēng)為少數載流子，載流子數 空穴數

PN結

（1）PN 結

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(guò)一定的摻雜工藝,一邊形成P型半導體,另一邊形成N型半導體。P型半導體和N型半導體有機地結合在一起時(shí)，因為P區一側空穴多，N區一側電子多，所以在它們的界面處存在空穴和電子的濃度差。于是P區中的空穴會(huì )向N區擴散，并在N區被電子復合。而N區中的電子也會(huì )向P區擴散，并在P區被空穴復合。這樣在P區和N區分別留下了不能移動(dòng)的受主負離子和施主正離子。上述過(guò)程如圖(a)所示。結果在界面的兩側形成了由等量正、負離子組成的空間電荷區，如圖(b)所示。

2）復合使交界面形成空間電荷區（耗盡層）

空間電荷區的特點(diǎn)：無(wú)載流子，阻止擴散進(jìn)行，利于少子的漂移。

3）擴散和漂移達到動(dòng)態(tài)平衡

擴散電流等于漂移電流，總電流 I= 0。

（2） PN結的單向導電特性

在PN結兩端外加電壓,稱(chēng)為給PN結以偏置電壓。

1） PN結正向偏置

給PN結加正向偏置電壓,即P區接電源正極,N區接電源負極,此時(shí)稱(chēng)PN結為正向偏置(簡(jiǎn)稱(chēng)正偏)。由于外加電源產(chǎn)生的外電場(chǎng)的方向與PN結產(chǎn)生的內電場(chǎng)方向相反,削弱了內電場(chǎng),使PN結變薄,有利于兩區多數載流子向對方擴散,形成正向電流,此時(shí)PN結處于正向導通狀態(tài)。

2．PN結反向偏置

給PN結加反向偏置電壓,即N區接電源正極,P區接電源負極,稱(chēng)PN結反向偏置(簡(jiǎn)稱(chēng)反偏)。

由于外加電場(chǎng)與內電場(chǎng)的方向一致,因而加強了內電場(chǎng),使PN結加寬,阻礙了多子的擴散運動(dòng)。在外電場(chǎng)的作用下,只有少數載流子形成的很微弱的電流,稱(chēng)為反向電流。

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

結論：PN結具有單向導電性,即加正向電壓時(shí)導通,加反向電壓時(shí)截止。

PN結的擊穿特性

當加于PN結的反向電壓增大到一定值時(shí)，反向電流會(huì )急劇增大，這種現象稱(chēng)為PN結擊穿。PN結發(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結中，當外加反向電壓時(shí)，耗盡區較寬，少子漂移通過(guò)耗盡區時(shí)被加速，動(dòng)能增大。當反向電壓大到一定值時(shí)，在耗盡區內被加速而獲得高能的少子，會(huì )與中性原子的價(jià)電子相碰撞，將其撞出共價(jià)鍵，產(chǎn)生電子、空穴對。新產(chǎn)生的電子、空穴被強電場(chǎng)加速后，又會(huì )撞出新的電子、空穴對。

2)齊納擊穿

在重摻雜的PN結中，耗盡區很窄，所以不大的反向電壓就能在耗盡區內形成很強的電場(chǎng)。當反向電壓大到一定值時(shí)，強電場(chǎng)足以將耗盡區內中性原子的價(jià)電子直接拉出共價(jià)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(chēng)為齊納擊穿或場(chǎng)致?lián)舸?。一般?lái)說(shuō)，對硅材料的PN結，UBR>7V時(shí)為雪崩擊穿；UBR <5V時(shí)為齊納擊穿；UBR介于5~7V時(shí)，兩種擊穿都有。