MIT半导体讲义2 半导体的本质

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1、幻灯片1在引入半导体之前，复习一下导体是有益的。可以从两种观点来研究导体：（1）从器件出发，从宏观上关注它们的整体性能（电阻，电压等）（2）从材料本身出发，从微观上关注电场，电流强度等。我们先考察半导体材料，所以采用第二个方法比较好。然后，我们再进一步引入由半导体做成的器件问题。幻灯片2材料的直流电气特性可以用电导表示，电导是电阻的倒数，其单位是西门子。在右边的图中给出了常见材料的电导范围。这里我们最感兴趣的是一种弱导体——硅。幻灯片3纯净材料的导电性能与材料的电子结构有直接的关系。我们可以回顾一下化学和物理课程，电子结构由一系列能级组成，电子有序地填充在这

2、些能级中。金属有部分能级没有填满，因此，电子可以在这些能级间自由地移动，也就是说，电子可以在金属中流动。绝缘体的能量级是被电子填满的，并且，两个能级之间的能量差距很大。电子只有获得足够的能量才能从一个能级级跃迁到另一个能级级。能级之间的能量差距越大，电子跃迁就越困难，绝缘性能也就越好。半导体和绝缘体一样，存在满带，但由于能隙较小，它的电子在跃迁时需要的能量就较少。因此一些电子有足够的能量来跃迁。当然电子的平均能量是温度的函数，因此半导体的导电性也与温度有关。幻灯片4硅是一种理想的半导体材料。首先，纯硅的导电性非常低。虽然不是零，但是我们可以近似地把它看作原子

3、间以共价键结合的物质。另外，硅可以高度提纯，因此任何掺入硅的杂质都会很容易地控制材料的导电性能。最后，虽然纯硅是一种弱导体，然而硅的氧化物（玻璃）却是性能优良的绝缘体。使用硅的许多优点来自异常精密的硅处理工艺，这种工艺已经50多年的历史了。幻灯片5硅的固有的导电性有两种：电子的运动和空穴（等待电子进入的空位）的运动。打个比方，我们可以把原子看成一排排的桶，把电子看成装在桶里的球。假如有很多桶而球却很少，你就可以通过标注球的位置来跟踪他们的分布。另一方面，如果球多而桶少，那么记录哪个桶是空的比跟踪所有的球要有效地多。当然，不论是那种情况，都是球在运动。同样我们

4、还应当注意，由于电子是运动的，假如只有很少的空位，那么必须有很多的电子朝同一个空穴运动，因此空穴的移动性比电子的移动性要低些。显然，要充分理解这些理论需要量子力学的知识。图中仅仅演示了这一原理的合理性，我们不应当理解为实际中它们也是这么运动的。幻灯片6利用硅的真正优势在于“掺杂”，加入少量的其他元素可以戏剧般的改变其导电性。硅有四个价电子，因此可以形成四个共价键。通过掺入拥有多于或少于四个价电子的其他元素，则多余的电子或空穴提供了导电的载流子。磷及其他五价元素有五个价电子，因此作为杂质掺入硅中时产生的多数载流子为电子。由于多数载体是负电性（如电子）的，因此这

5、样的材料叫做n型半导体。幻灯片7硼和其他三价元素有三个价电子，因此当作为杂质掺入硅中时产生的多数载流子为空穴。由于有效载流子呈正电性，因此叫做p型半导体。加入杂质使得载流子数量增加从而显著改变了参杂后材料的导电性，而不是改变了材料的电性，理解这一点很重要。参杂是材料是电中性的而且整个材料也呈电中性。一个良好的导体具有同样的特点（比如说铜）也是电中性的。幻灯片8从固体物理学的理论来解释，对半导体材料进行掺杂，会在价带和导带间产生一些新的能级，这些受主和施主能级有效地减少了能隙，并且使导电更加容易。由于n型材料中掺杂的每个原子捐献一个电子从而成为施主。类似地，由

6、于p型材料的掺入杂的每个原子获得一个电子（或一个空穴）从而成为受主。对半导体材料进行参杂，会在价带和导带间引入一些新的能级。这些材料具有一些令人感兴趣的特性，而这些特性是由于N型半导体材料和P型半导体材料交界处的载流子的相互作用而产生的。幻灯片9应当记住，掺杂半导体材料的导电性由多数载流子的特性所决定。因此对n型掺杂材料，我们关注它的多数载流子“电子”；而对于p型掺杂材料，我们关注的是“空穴”。幻灯片10需要记住的知识点有：*导电性是杂质浓度的函数。*掺杂后的材料导电性相当于石墨。（良导体相当于阻值较低的电阻）*N型和P型材料有不同的导电特性。*即使在掺杂浓

7、度很高的材料中，掺杂也只是在每百万分之几的级别上。幻灯片11我们感兴趣的是：如果将两个或更多的半导体放一起会出现什么情况。一个掺杂半导体本身只相当于一个电阻，但用它做电阻不是我们的目的，因为制造电阻有更简单的方法。在图左上方的器件是一个PN结（一个P型材料和一个N型材料放在一起），它形成了一个二极管。在图的左下方给出它的内部结构示意图。如果两块材料面对面摆放而不接触，那么电子和空穴的状态如图所示（示意）。在右上方的图中，电荷和空穴结合并消失，因而在交界面周围形成一个没有载流子的耗尽层，也叫PN结。注意，由于一个负电荷和一个带正电的空穴同时消失，因此整个半导体

8、还是电中性的。电子和空穴的结合会释放出能量，可以用它