半导体小常识4则

半导体小常识4则

半导体杂质
　　半导体中的杂质对电阻率的影响十分大。半导体中掺入微量杂质时，杂质原子邻近的周期势场遭到搅扰并构成附加的捆绑状况，在禁带中产加的杂质能级。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗（或硅）原子构成共价结合，剩余的一个电子被捆绑于杂质原子邻近，发生类氢能级。杂质能级位于禁带上方挨近导带底邻近。杂质能级上的电子很易激起到导带成为电子载流子。这种能供给电子载流子的杂质称为施主，相应能级称为施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激起到导带所需能量小得多（图2）。在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子构成共价结合时髦短少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状况便是杂质能级，一般位于禁带下方挨近价带处。价带中的电子很易激起到杂质能级上添补这个空位，使杂质原子成为负离子。价带中由于短少一个电子而构成一个空穴载流子（图3）。这种能供给空穴的杂质称为受主杂质。存在受主杂质时，在价带中构成一个空穴载流子所需能量比本征半导体景象要小得多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。加热或光照发生的热激起或光激起都会使自在载流子数添加而导致电阻率减小，半导体热敏电阻和光敏电阻便是根据此原理制成的。对掺入施主杂质的半导体，导电载流子首要是导带中的电子，属电子型导电，称N型半导体。掺入受主杂质的半导体属空穴型导电，称P型半导体。半导体在任何温度下都能发生电子-空穴对，故N型半导体中可存在少量导电空穴，P型半导体中可存在少量导电电子，它们均称为少量载流子。在半导体器材的各种效应中，少量载流子常扮演重要人物。
　　PN结
　　P型半导体与N型半导体彼此触摸时，其接壤区域称为PN结。P区中的自在空穴和N区中的自在电子要向对方区域分散，构成正负电荷在 PN 结两边的堆集，构成电偶极层(图4 )。电偶极层中的电场方向正好阻挠分散的进行。当由于载流子数密度不等引起的分散效果与电偶层中电场的效果到达平衡时，P区和N区之间构成必定的电势差，称为触摸电势差。由于P 区中的空穴向N区分散后与N区中的电子复合，而N区中的电子向P区分散后与P 区中的空穴复合，这使电偶极层中自在载流子数削减而构成高阻层，故电偶极层也叫阻挡层，阻挡层的电阻值往往是组成PN结的半导体的原有阻值的几十倍甚至几百倍。
　　PN结具有单向导电性，半导体整流管便是运用PN结的这一特性制成的。PN结的另一重要性质是遭到光照后能发生电动势，称光生伏打效应，可运用来制作光电池。半导体三极管、可控硅、PN结光敏器材和发光二极管等半导体器材均运用了PN结的特性。
　　半导体掺杂
　　半导体之所以能广泛应用在今天的数位国际中，凭仗的便是其能借由在其晶格中植入杂质改动其电性，这个进程称之为掺杂（doping）。掺杂进入实质半导体（intrinsic semiconductor）的杂质浓度与极性皆会对半导体的导电特性发生很大的影响。而掺杂过的半导体则称为外质半导体（extrinsic semiconductor）。
　　半导体掺杂物
　　哪种资料合适作为某种半导体资料的掺杂物（dopant）需视两者的原子特性而定。一般来说，掺杂物按照其带给被掺杂资料的电荷正负被区分为施体（donor）与受体（acceptor）。施体原子带来的价电子（valence electrons）大多会与被掺杂的资料原子发生共价键，从而被捆绑。而没有和被掺杂资料原子发生共价键的电子则会被施体原子弱小地捆绑住，这个电子又称为施体电子。和实质半导体的价电子比起来，施体电子跃迁至传导带所需的能量较低，比较简单在半导体资料的晶格中移动，发生电流。尽管施体电子取得能量会跃迁至传导带，但并不会和实质半导体相同留下一个电洞，施体原子在失去了电子后只会固定在半导体资料的晶格中。因而这种由于掺杂而取得剩余电子供给传导的半导体称为n型半导体（n-type semiconductor），n代表带负电荷的电子。
　　和施体相对的，受体原子进入半导体晶格后，由于其价电子数目比半导体原子的价电子数量少，等效上会带来一个的空位，这个多出的空位即可视为电洞。受体掺杂后的半导体称为p型半导体（p-type semiconductor），p代表带正电荷的电洞。
　　以一个硅的实质半导体来阐明掺杂的影响。硅有四个价电子，常用于硅的掺杂物有三价与五价的元素。当只要三个价电子的三价元素如硼（boron）掺杂至硅半导体中时，硼扮演的便是受体的人物，掺杂了硼的硅半导体便是p型半导体。反过来说，假如五价元素如磷（phosphorus）掺杂至硅半导体时，磷扮演施体的人物，掺杂磷的硅半导体成为n型半导体。
　　一个半导体资料有或许先后掺杂施体与受体，而怎么决议此外质半导体为n型或p型有必要视掺杂后的半导体中，受体带来的电洞浓度较高或是施体带来的电子浓度较高，亦即何者为此外质半导体的“多数载子”（majority carrier）。和多数载子相对的是少量载子（minority carrier）。关于半导体元件的操作原理剖析而言，少量载子在半导体中的行为有着十分重要的方位。
　　半导体载子浓度
　　掺杂物浓度关于半导体最直接的影响在于其载子浓度。在热平衡的状况下，一个未经掺杂的实质半导体，电子与电洞的浓度持平，如下列公式所示：
　　n = p = ni 其间n是半导体内的电子浓度、p则是半导体的电洞浓度，ni则是实质半导体的载子浓度。ni会跟着资料或温度的不同而改动。关于室温下的硅而言，ni大约是1×10 cm。
　　一般掺杂浓度越高，半导体的导电性就会变得越好，原因是能进入传导带的电子数量会跟着掺杂浓度进步而添加。掺杂浓度十分高的半导体会由于导电性挨近金属而被广泛应用在今天的集成电路制程来替代部份金属。高掺杂浓度一般会在n或是p后边附加一上标的“+”号，例如n 代表掺杂浓度十分高的n型半导体，反之例如p 则代表轻掺杂的p型半导体。需求特别阐明的是即便掺杂浓度现已高到让半导体“退化”（degenerate）为导体，掺杂物的浓度和本来的半导体原子浓度比起来仍是距离十分大。以一个有晶格结构的硅实质半导体而言，原子浓度大约是5×10 cm，而一般集成电路制程里的掺杂浓度约在10 cm至10 cm之间。掺杂浓度在10 cm以上的半导体在室温下一般就会被视为是一个“简并半导体”（degenerated semiconductor）。重掺杂的半导体中，掺杂物和半导体原子的浓度比约是千分之一，而轻掺杂则或许会到十亿分之一的份额。在半导体制程中，掺杂浓度都会按照所制作出元件的需求量身打造，以合于运用者的需求。
　　掺杂对半导体结构的影响
　　掺杂之后的半导体能带会有所改动。按照掺杂物的不同，实质半导体的能隙之间会呈现不同的能阶。施体原子会在挨近传导带的当地发生一个新的能阶，而受体原子则是在挨近价带的当地发生新的能阶。假定掺杂硼原子进入硅，则由于硼的能阶到硅的价带之间仅有0.045电子伏特，远小于硅自身的能隙1.12电子伏特，所以在室温下就能够使掺杂到硅里的硼原子彻底解离化（ionize）。
　　掺杂物关于能带结构的另一个严重影响是改动了费米能阶的方位。在热平衡的状况下费米能阶仍然会坚持定值，这个特性会引出许多其他有用的电特性。举例来说，一个p-n接面（p-n juncTIon）的能带会弯折，原因是本来p型半导体和n型半导体的费米能阶方位各不相同，可是构成p-n接面后其费米能阶有必要坚持在相同的高度，构成无论是p型或是n型半导体的传导带或价带都会被曲折以合作接面处的能带差异。
　　上述的效应能够用能带图（band diagram）来解说，。在能带图里横轴代表方位，纵轴则是能量。图中也有费米能阶，半导体的实质费米能阶（intrinsic Fermi level）一般以Ei来表明。在解说半导体元件的行为时，能带图是十分有用的东西。
　　半导体资料的制作
　　为了满意量产上的需求，半导体的电性有必要是可猜测而且安稳的，因而包含掺杂物的纯度以及半导体晶格结构的质量都有必要严格要求。常见的质量问题包含晶格的错位（dislocaTIon）、双晶面（twins），或是仓库过错（stacking fault）都会影响半导体资料的特性。关于一个半导体元件而言，资料晶格的缺点一般是影响元件功能的主因。
　　现在用来生长高纯度单晶半导体资料最常见的办法称为裘可拉斯基制程（Czochralski process）。这种制程将一个单晶的晶种（seed）放入溶解的同原料液体中，再以旋转的方法慢慢向上拉起。在晶种被拉起时，溶质将会沿着固体和液体的接口固化，而旋转则可让溶质的温度均匀。

半导体前史
　　半导体的发现实际上能够追溯到很久曾经，
　　1833年，英国巴拉迪最早发现硫化银的电阻跟着温度的改变状况不同于一般金属，一般状况下，金属的电阻随温度升高而添加，但巴拉迪发现硫化银资料的电阻是跟着温度的上升而下降。这是半导体现象的初次发现。
　　不久， 1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质触摸构成的结，在光照下会发生一个电压，这便是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。
　　在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两头加一个正向电压，它是导通的；假如把电压极性反过来，它就不导电，这便是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。
　　1873年，英国的史密斯发现硒晶体资料在光照下电导添加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。 半导体的这四个效应，(jianxia霍尔效应的余绩──四个伴生效应的发现)虽在1880年曾经就先后被发现了，但半导体这个名词大约到1911年才被考尼白格和维斯初次运用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完结。
　　许多人会疑问，为什么半导体被认可需求这么多年呢？首要原因是其时的资料不纯。没有好的资料，许多与资料相关的问题就难以说清楚。
　　半导体于室温时电导率约在10ˉ10～10000/Ω·cm之间，纯洁的半导体温度升高时电导率按指数上升。半导体资料有许多种，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。除上述晶态半导体外，还有非晶态的有机物半导体等和本征半导体。