半导体的基本特性(精)

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1、.word可编辑.半導體的基本特性自然界的物質依照導電程度的難易，可大略分為三大類：導體、半導體和絕緣體顧名思義，半導體的導電性介於容易導電的金屬導體和不易導電的絕緣體之間。半導體的種類很多，有屬於單一元素的半導體如矽（Si）和鍺（Ge），也有由兩種以上元素結合而成的化合物半導體如砷化鎵（GaAs）和砷磷化鎵銦（GaxIn1-xAsyP1-y）等。在室溫條件下，熱能可將半導體物質內一小部分的原子與原子間的價鍵打斷，而釋放出自由電子並同時產生一電洞。因為電子和電洞是可以自由活動的電荷載子，前者帶負電，後者帶正電，因此半導體具有一定程度的導電性。電子在半導體內的

2、能階狀況，可用量子力學的方法加以分析（見圖一）。在高能量的導電帶內（Ec以上），電子可以自由活動，自由電子的能階就是位於這一導電帶內。最低能區（Ev以下）稱為「價帶」，被價鍵束縛而無法自由活動的價電子能階，就是位於這一價帶內。導電帶和價帶之間是一沒有能階存在的「禁止能帶」（或稱能隙，Eg），在沒有雜質介入的情況下，電子是不能存在能隙裡的。在絕對溫度的零度時，一切熱能活動完全停止，原子間的價鍵完整無損，所有電子都被價鍵牢牢綁住無法自由活動，這時所有電子的能量都位於最低能區的價帶，價帶完全被價電子占滿，而導電帶則完全空著。價電子欲脫離價鍵的束縛而成為自由電子，必

3、須克服能隙Eg，提升自己的能階進入導電帶。熱能是提供這一能量的自然能源之一。.专业.专注..word可编辑.以矽半導體為例，能隙Eg為1.1電子伏特，在室溫（300K）下，熱能打斷價鍵而產生電子和電洞的速率，與電子和電洞的再結合速率達到平衡時，電子的密度約為1.5×1010cm-3。因為矽的原子密度約為5×1022cm-3，可知因室溫熱能而被打斷的價鍵數，在比例上是微乎其微的。在電子被釋放出來的同時，必然留下一帶正電荷的電洞在價帶上（見圖一（a））。溫度越高，被熱能釋放出來的電子和電洞的數量也越多。因此，純半導體（又稱本質半導體）的導電性遂因溫度的升高而增大

4、，這與金屬導體的電阻隨溫度的升高而變大的現象，正好相反。我們再以矽半導體為例，來探討雜質的摻入對於半導體導電性的影響。矽是一種四價的元素。如果我們將五價元素，如最常用的磷（P）或砷（As）等摻入矽晶體內，使其取代某些矽原子，則該等五價元素多出的一個電子，在矽晶結構內受到的束縛力非常薄弱，在室溫時即已絕大部分游離而成自由電子。這類五價元素摻雜在矽晶內因為可提供自由電子，所以稱為施體（donor），其能階ED非常靠近導電帶（見圖一（b）），而游離後的施體離子則帶正電。這種半導體稱為n型半導體，其費米能階EF比較靠近導電帶。一般n型半導體內的電子數量遠比電洞為多，

5、是構成電流傳導的主要載子（或稱多數載子）。同理，我們如將三價元素如硼（B）等摻入矽晶體內，則在其取代矽原子的位置後，因為少了一個價電子，所以會從別處接受一個額外電子以便形成四個圍繞在硼原子外的共價鍵，結果在價帶內造成一個帶正電的電洞。這類三價元素，稱為受體（acceptor），其能階EA.专业.专注..word可编辑.非常靠近價帶（見圖一（c）），而接受一個額外電子後的受體離子則帶負電。這種半導體稱為p型半導體，其費米能階E比較靠近價帶。p型半導體內的電洞數量遠比電子為多，是電流傳導的主要載子。在實用上，不論n型或p型，雜質摻入濃度大多在1013~1019C

6、m-3之間。由於絕大部分的施體或受體雜質在室溫時均已游離，所以n型半導體內的電子濃度大約等於施體雜質濃度，而p型半導體內的電洞濃度也大約等於受體雜質濃度。又因該等載子濃度遠比純半導體內的電子、電洞濃度為大，因此雜質摻入濃度的多寡，實際上相當有效地控制了半導體的導電性。常用矽晶半導體晶圓的電阻係數，大多介於0.001～1000Ω-cm之間，約相當於載子濃度在1019~1013Cm-3的範圍。圖一說明:半導體能帶圖，（a）本質半導體；（b）n型半導體；（c）p型半導體。.专业.专注..word可编辑.pn接面pn接面是各種半導體元件不可或缺的基本結構p型和n型半

7、導體緊密結合（見圖二（a）），則P型區的多數載子電洞必然向電洞濃度較低的n型區擴散；同時，n型區的多數載子電子也必然向電子濃度較低的p型區擴散。結果，在冶金接面的左右兩側，由於上述電洞和電子的離去，而形成一空乏區。空乏區內缺少電洞和電子，卻因電洞和電子的離去，而分別留下帶負電的游離受體和帶正電的游離施體，而在空乏區內建立一由n型區指向p型區的電場。在熱平衡狀態下，空乏區的電場正好完全抵消，p型區的電洞向n型區擴散以及n型區的電子向p型區擴散的趨勢。熱平衡狀態下pn接面的能階，如圖二（b）所示，費米能階保持固定。n型端相對於p型端高出一內建電位Vbi（也就是界

8、面兩側的電位差），但對電子而言，n型端的能階比p型端