解析现代半导体的基本知识

导体、绝缘体和半导体

物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电特性取决于原子结构。

（1） 导体

导体一般为低价元素, 如铜、铁、铝等金属, 其最外层电子受原子核的束缚力很小, 因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作用下, 这些电子产生定向运动(称为漂移运动)形成电流, 呈现出较好的导电特性。

（2） 绝缘体

高价元素(如惰性气体)和高分子物质(如橡胶, 塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强, 极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子, 所以其导电性极差, 可作为绝缘材料。

（3） 半导体

半导体的最外层电子数一般为4个，既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚, 成为自由电子, 也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧, 因此, 半导体的导电特性介于二者之间。常用的半导体材料有硅、锗、硒等。

半导体的独特性能

金属导体的电导率一般在105s/cm量级；塑料、云母等绝缘体的电导率通常是10-22~10-14s/cm量级；半导体的电导率则在10-9~102s/cm量级。

半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：

光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强

热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大；

掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强；

半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。

本征半导体

纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅和锗, 它们都是四价元素, 在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。

为便于讨论, 采用图所示的简化原子结构模型。

把硅或锗材料拉制成单晶体时, 相邻两个原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子, 它们一方面围绕自身的原子核运动, 另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用, 同时还受到相邻原子核的吸引。

于是, 两个相邻的原子共有一对价电子, 组成共价键结构。故晶体中, 每个原子都和周围的４个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来。

从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝缘体那样好。

受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。

游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴。

由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发。

本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的产生，由此本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。

由于共价键是定域的，这些带正电的离子不会移动，即不能参与导电，成为晶体中固定不动的带正电离子。

受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直接跳进空穴，使失电子的原子重新恢复电中性。价电子填补空穴的现象称为复合。

参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子。

载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。

自由电子载流子运动可以形容为没有座位人的移动；空穴载流子运动则可形容为有座位的人依次向前挪动座位的运动。半导体内部的这两种运动总是共存的，且在一定温度下达到动态平衡。

半导体的导电机理：

半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别：

金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电；而半导体中则是本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴两种载流子同时参与导电。两种载流子电量相等、符号相反，即自由电子载流子和空穴载流子的运动方向相反。

结论：

1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少

2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电

3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。

4.杂质半导体

1. 本征半导体

根据物体导电能力(电阻率)的不同划分为导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

本征半导体是—种化学成分纯净、结构完整的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为"九个9"。它在物理结构上呈单晶体形态。

(1) 本征半导体的热敏性、光敏性和掺杂性

① 热敏性、光敏性—本质半导体在温度升高或光照情况下，导电率明显提高。

② 掺杂性—在本征半导体中掺入某种特定的杂质，成为杂质半导体后，其导电率会明显的发生改变。

(2) 电子空穴对

在绝对温度0K时，半导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，将有少数电子能挣脱原子核的束缚而成为自由电子，流下的空位称为空穴，这一现象称为本征激发(也称热激发)。在本征半导体中自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。自由电子和空穴在半导体中都是导电粒子，称它们为载流子。

2. N型半导体和P型半导体

(1) N型半导体

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子(多子),它主要由杂质原子提供;空穴是少数载流子(少子), 由热激发形成。

(2)P型半导体

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成;电子是少数载流子，由热激发形成。

根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。

半导体的电阻率为10-3～10-9 ??cm。

典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

本征半导体及其导电性

本征半导体——化学成分纯净的半导体。

制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。

(1) 本征半导体的共价键结构

硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见图。

(a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图

(2) 电子空穴对

当导体处于热力学温度0 K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发(也称热激发)。

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。

图：本征激发和复合的过程

(3) 空穴的移动

自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。

空穴在晶格中的移动(动画1-2)

杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

(1) N型半导体

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体,也称电子型半导体。

因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供;空穴是少数载流子, 由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导体的结构示意图所示。

图：N型半导体的结构示意图

(2) P型半导体

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。

因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成;电子是少数载流子，由热激发形成。

空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图。

图01.05 P型半导体的结构示意图

杂质对半导体导电性的影响

掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:

T=300K 室温下,本征硅的电子和空穴浓度为:

n = p =1.4×1010/cm3

本征硅的原子浓度: 4.96×1022 /cm3

掺杂后，N 型半导体中的自由电子浓度为：n=5×1016 /cm3

在本征半导体中，有选择地掺入少量其它元素，会使其导电性能发生显著变化。这些少量元素统称为杂质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入的杂质不同，有N型半导体和P型半导体两种。

（1）Ｎ型半导体

在本征半导体中, 掺入微量５价元素, 如磷、锑、砷等, 则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有５个价电子, 因此它与周围４个硅(锗)原子组成共价键时, 还多余 1 个价电子。它不受共价键的束缚, 而只受自身原子核的束缚, 因此, 它只要得到较少的能量就能成为自由电子, 并留下带正电的杂质离子, 它不能参与导电。

显然, 这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度, 即nn>>pn(下标ｎ表示是Ｎ型半导体), 主要靠电子导电, 所以称为Ｎ型半导体。由于５价杂质原子可提供自由电子, 故称为施主杂质。Ｎ型半导体中, 自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。

（2）P型半导体

在本征硅(或锗)中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等，就得到P型半导体。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位。

（3）P 型、N 型半导体的简化图示

图示为P 型、N 型半导体的简化图

N型半导体：自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子，载流子数 电子数

P型半导体：空穴称为多数载流子；自由电子称为少数载流子，载流子数 空穴数

PN结

（1）PN 结的形成

1） 载流子的浓度差引起多子的扩散

在一块完整的晶片上,通过一定的掺杂工艺,一边形成P型半导体,另一边形成N型半导体。P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。上述过程如图(a)所示。结果在界面的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区，如图(b)所示。

2）复合使交界面形成空间电荷区（耗尽层）

空间电荷区的特点：无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。

3）扩散和漂移达到动态平衡

扩散电流等于漂移电流，总电流 I= 0。

（2） PN结的单向导电特性

在PN结两端外加电压,称为给PN结以偏置电压。

1） PN结正向偏置

给PN结加正向偏置电压,即P区接电源正极,N区接电源负极,此时称PN结为正向偏置(简称正偏)。由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场方向相反,削弱了内电场,使PN结变薄,有利于两区多数载流子向对方扩散,形成正向电流,此时PN结处于正向导通状态。

2．PN结反向偏置

给PN结加反向偏置电压,即N区接电源正极,P区接电源负极,称PN结反向偏置(简称反偏)。

由于外加电场与内电场的方向一致,因而加强了内电场,使PN结加宽,阻碍了多子的扩散运动。在外电场的作用下,只有少数载流子形成的很微弱的电流,称为反向电流。

注：少数载流子是由于热激发产生的,因而PN结的反向电流受温度影响很大。

结论：PN结具有单向导电性,即加正向电压时导通,加反向电压时截止。

PN结的击穿特性

当加于PN结的反向电压增大到一定值时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。

1)雪崩击穿

在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对。

2)齐纳击穿

在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。一般来说，对硅材料的PN结，UBR>7V时为雪崩击穿；UBR <5V时为齐纳击穿；UBR介于5~7V时，两种击穿都有。

编辑：jq