半导体基础知识（详细篇）

半导体基础知识（详细篇）

2.1.1 概念

　　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。

1. 导体：容易导电的物体。如：铁、铜等

2. 绝缘体：几乎不导电的物体。如：橡胶等

3. 半导体：半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体。在一定条件下可导电。 半导体的电阻率为10-3～109 Ω·cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

半导体特点：
　　 1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变化。光敏元件、热敏元件属于此类。
　　 2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。二极管、三极管属于此类。

2.1.2 本征半导体

1.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。电子技术中用的最多的是硅和锗。
　　硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。其简化原子结构模型如下图：

　　外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。物质的性质是由价电子决定的 。

 

　　外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。物质的性质是由价电子决定的 。

 

 

2.本征半导体的共价键结构

　　本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，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。如下图所示：

硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图

3.共价键

　　共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子组成的，这两个电子被成为束缚电子。束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量，不易脱离轨道。因此，在绝对温度T=0°K（-273°C）时，由于共价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电

 

 

4.电子与空穴

　　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。

电子与空穴的复合

　　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。

空穴的移动

　　由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出现了电荷迁移—电流。

 

 

　　电流的方向与电子移动的方向相反，与空穴移动的方向相同。本征半导体中，产生电流的根本原因是由于共价键中出现了空穴。由于空穴数量有限，所以其电阻率很大

 

 

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　空穴在晶体中的移动（动画）

 

2.1.3 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。k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；另外，硅晶体由于热激发会产生少量的电子空穴对，所以空穴是少数载流子。

 

　　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；另外，硅晶体由于热激发会产生少量的电子空穴对，所以空穴是少数载流子。

 

 

N型半导体结构

　　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如图所示。

所以，N型导体中的导电离子有两种：自由电子——多数载流子（由两部分组成）；

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　空穴——少数载流子

 

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个空穴。当相邻共价键上的电子因受激发获得能量时，就可能填补这个空穴，而产生新的空穴。空穴是其主要载流子。

P型半导体结构

　　在P型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电子而成为一个带单位负电荷的负离子，三价杂质 因而也称为受主杂质。 而硅原子的共价键由于失去一个电子而形成空穴。所以P型半导体的结构示意图如图所示。

　　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。

3. 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:
　　1.T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cmз

　　2.本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cmз

　　3.掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cmз

　　以上三个浓度基本上依次相差1000000/cmз 。