半導體基礎知識（詳細篇）

2.1.1 概念

根據(jù)物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。

1. 導體：容易導電的物體。如：鐵、銅等

2. 絕緣體：幾乎不導電的物體。如：橡膠等

3. 半導體：半導體是導電性能介于導體和半導體之間的物體。在一定條件下可導電。 半導體的電阻率為10-3～109 Ω·cm。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。

半導體特點：

1) 在外界能源的作用下，導電性能顯著變化。光敏元件、熱敏元件屬于此類。

2) 在純凈半導體內(nèi)摻入雜質(zhì)，導電性能顯著增加。二極管、三極管屬于此類。

2.1.2 本征半導體

1.本征半導體——化學成分純凈的半導體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。電子技術(shù)中用的最多的是硅和鍺。

硅和鍺都是4價元素，它們的外層電子都是4個。其簡化原子結(jié)構(gòu)模型如下圖：

外層電子受原子核的束縛力最小，成為價電子。物質(zhì)的性質(zhì)是由價電子決定的 。

外層電子受原子核的束縛力最小，成為價電子。物質(zhì)的性質(zhì)是由價電子決定的 。

2.本征半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)

本征晶體中各原子之間靠得很近，使原分屬于各原子的四個價電子同時受到相鄰原子的吸引，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。如下圖所示：

硅晶體的空間排列與共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖

3.共價鍵

共價鍵上的兩個電子是由相鄰原子各用一個電子組成的，這兩個電子被成為束縛電子。束縛電子同時受兩個原子的約束，如果沒有足夠的能量，不易脫離軌道。因此，在絕對溫度T=0°K（-273°C）時，由于共價鍵中的電子被束縛著，本征半導體中沒有自由電子，不導電。只有在激發(fā)下，本征半導體才能導電

4.電子與空穴

當導體處于熱力學溫度0°K時，導體中沒有自由電子。當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。

電子與空穴的復合

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，稱為復合，如圖所示。本征激發(fā)和復合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。

空穴的移動

由于共價鍵中出現(xiàn)了空穴，在外加能源的激發(fā)下，鄰近的價電子有可能掙脫束縛補到這個空位上，而這個電子原來的位置又出現(xiàn)了空穴，其它電子又有可能轉(zhuǎn)移到該位置上。這樣一來在共價鍵中就出現(xiàn)了電荷遷移—電流。

電流的方向與電子移動的方向相反，與空穴移動的方向相同。本征半導體中，產(chǎn)生電流的根本原因是由于共價鍵中出現(xiàn)了空穴。由于空穴數(shù)量有限，所以其電阻率很大

空穴在晶體中的移動（動畫）

2.1.3 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)的本征半導體稱為雜質(zhì)半導體。

1. N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成 N型半導體,也稱電子型半導體。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。k在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；另外，硅晶體由于熱激發(fā)會產(chǎn)生少量的電子空穴對，所以空穴是少數(shù)載流子。

在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；另外，硅晶體由于熱激發(fā)會產(chǎn)生少量的電子空穴對，所以空穴是少數(shù)載流子。

N型半導體結(jié)構(gòu)

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型半導體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。

所以，N型導體中的導電離子有兩種：自由電子——多數(shù)載流子（由兩部分組成）；

空穴——少數(shù)載流子

2. P型半導體

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

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個空穴。當相鄰共價鍵上的電子因受激發(fā)獲得能量時，就可能填補這個空穴，而產(chǎn)生新的空穴。空穴是其主要載流子。

P型半導體結(jié)構(gòu)

在P型半導體中，硼原子很容易由于俘獲一個電子而成為一個帶單位負電荷的負離子，三價雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。 而硅原子的共價鍵由于失去一個電子而形成空穴。所以P型半導體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。

P型半導體中空穴是多數(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。

3. 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(shù)據(jù)如下:

1.T=300 K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.4×1010/cmз

2.本征硅的原子濃度: 4.96×1022/cmз

3.摻雜后 N 型半導體中的自由電子濃度: n=5×1016/cmз

以上三個濃度基本上依次相差1000000/cmз 。