半导体物理基本知识

半导体物理基本知识

一、导体、半导体和绝缘体

物质就其导电性来说，可以分为绝缘体、半导体、和导体。电阻率大于109欧姆·厘米的物体称为绝缘体，小于10-4欧姆·厘米的物体为导体，电阻率介于10-4～109欧姆·厘米的物体为半导体。

二、半导体材料的种类

半导体材料种类繁多，从单质到化合物，从无机物到有机物，从单晶体到非晶体，都可以作为半导体材料。半导体材料大致可以分为以下几类：

1、元素半导体

元素半导体又称为单质半导体。在元素周期表中介于金属与非金属之间的Si、Ge、Se、Te、B、C、P等元素都有半导体的性质。

在单质元素半导体中具有实用价值的只有硅、锗、硒。而硅和锗是最重要的两种半导体材料。尤其半导体硅材料已被广泛地用来制造各种器件、数字和线性集成电路以及大规模集成电路等。硒作为半导体材料主要用做整流器，但由于硅、锗制造的整流器比硒整流器性能良好，所以硒逐渐被硅、锗取代。

2、化合物半导体

化合物半导体是AⅢBⅤ型化合物，由元素中期表中ⅢA族的Al、Ga、和ⅤA族的P、As、Sb等合成的化合物成为AⅢBⅤ型化合物。如AlP、GaAs、GaSb、InAs、InSb。在这一类化合物半导体中用最广泛的是GaAs，它可以用来制作GaAs晶体管、场效应管、雪崩管、超高速电路及微波器件等。

3、氧化物半导体

许多金属的氧化物具有半导体性质，如Cu2O、CuO、ZnO、MgO、Al2O3等等。

4、固溶体半导体

元素半导体和无机化合物半导体相互溶解而成的半导体材料成为固溶体半导体。如：Ge-Si、GaAs-GaP，而GaAs-GaP是发光二极管的材料。

5、玻璃半导体

玻璃半导体是指具有半导体性质的一类玻璃。如氧化物玻璃半导体和元素玻璃半导

体，氧化物玻璃半导体是由V2O5、P2O5、Bi2O3、FeO、CaO、PbO等中的某几种按一定配比熔融后淬冷而成。元素玻璃半导体是由S、Se、Te、As、Sb、Ge、Si、P等元素中的某几种，一定配比熔融后淬冷而成。

玻璃半导体目前研究工作着重于它的开关效应和记忆效应。玻璃半导体在通常条件下，具有高阻绝缘性、导电不明显的特点，但当外界条件如电压、温度、光照超过某一数值时，它才能显示出半导体性质。

三、半导体的特性

1、半导体的电阻率对温度的反应特别灵敏，纯净半导体的电阻率随温度的变化很显著，而且电阻率随温度的升高而下降。例如纯硅温度从20℃升到28℃，电祖率可以下降到一半左右，当温度接近绝对零度时，半导体成为绝缘体。

2、微量的杂质能够显著的改变半导体的电阻率。例如在纯硅中掺入6×1021/m3的杂质磷或锑，就能使它的电阻率从2.15×103欧姆·厘米减小到0.01欧姆·厘米。晶格结构的完整与否也会对半导体导电性能有极大的影响。

3、适当的光照可使半导体的电阻率显著改变。当某种频率的光照射半导体时，会使半导体的电阻率显著下降，这种现象叫光电导。

四、电子导电和空穴导电

当理想的本征半导体晶体，受到温度影响后，使电子在热运动的激发下，克服原子的束缚力，跳出来、使共价键断裂，这个电子带负电在晶体中作无规则的运动，由于它的平均位移等于零，所以不产生电流。如果在晶体上加一个电场，这些自由电子将沿着作用力的方向运动而产生电流。这种因电子产生的导电叫电子导电。当电子在热激发下跳出来，在原来形成共价键的原子处少了一个电子，留下一个空的位置，这个空位就叫空穴，相邻的满键上的电子可以跳到这个空穴上来，而相邻一处又出现了新的空穴，结果就形成了空穴在晶体内移动，由于带负电的电子跳出，形成的空穴可以一个带正电的粒子，它所带的电荷与电子相等，担符号相反，空穴在晶体内的移动也是无规则的，因而也不产生电流。但如果加上外电场的作用，空穴就顺着电场的方向移动，而产生电流，这就叫空穴导电。

五、N、P型半导体

本征半导体晶体，在实际上是比较难以获得的，应用也不广泛，可以创造出来一些条件，使晶体中的电子数目与空穴数目不相等，也就是其中的导电主要由一种符号的电荷运动产生，如使其中的电子导电占优势，在半导体中加入一定数量的杂质就可以达到

这个目的。所谓杂质是与半导体材料不同的元素，如硅晶体中除硅元素之外的元素砷、硼、磷等，都称之为杂质。

在常温下，硅的导电性能主要由杂质决定。例如，硅中掺有Ⅴ族元素P、As、Sb，这些Ⅴ族元素代替了一部分硅原子的位置，但是，因为它们外层有五个价电子，其中四个与周围硅原子形成共价键，多余的一个价电子就成了可以导电的“自由”电子，所以一个Ⅴ族杂质原子，可以向半导体硅提供一个“自由”电子，而杂质原子本身成为带正电的离子，通常把这种杂质叫做施主杂质。当硅中掺有施主杂质时，半导体硅主要依靠施主提供的电子导电，这种依靠电子导电的半导体叫做N型半导体。

硅中掺有Ⅲ族元素B、Al、Ga、In，这些Ⅲ族元素杂质在晶体中也是代替一部分硅原子的位置，但是因为它们外层仅有三个价电子，在于周围硅原子形成共价键时，产生一个缺位，这个缺位就要接受一个电子而向晶体提供一个空穴，所以一个Ⅲ族元素杂质原子可以向半导体硅提供一个空穴，而本身接受一个电子成为带负电的离子，通常办这种杂质叫做受主杂质。当硅中掺有受主杂质时，半导体主要靠受主提供的空穴导电，这种主要靠空穴导电的半导体叫P型半导体。

六、杂质补偿作用

在硅的晶体中，所含杂质往往不是单纯的五价或三价元素，而是同时含有两种杂质，这时三价与五价杂质起着相互补偿作用。如果含三价和五价杂质相差很大，例如含磷量大于含硼量，则除五价元素的电子与三价元素的空穴补偿一部分外，五价元素施放的电子仍占主要地位，此种导体仍然是N型半导体。反之，三价元素占主导地位，则仍是P 型半导体。

如果三价杂质与五价杂质含量相等，五价元素施放的电子与三价元素接受电子产生中和补偿，对导电没有作用，那么这时呈现电阻率很高，但并不说明晶体很纯，这样半导体就是补偿半导体。

总之，当半导体中同时含有施主和受主时，经过补偿之后，其净杂质浓度称为有效杂质浓度，导电类型由有效杂质浓度决定。当N D＞N A时，则半导体为N型，当N D＜N A时，则半导体为P型。（N D表示施主杂质浓度，N A表示受主杂质浓度）

七、载流子与载流子浓度

在半导体导电的过程中，运载电流的粒子，可以是带负电的电子，也可以是带正电的空穴，带电荷的电子或空穴就叫“载流子”。

每立方厘米中电子或空穴的数目叫做“载流子浓度”。把数目较多的载流子叫“多

数载流子”，把数目较少的载流子叫“少数载流子”。例如，N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数在六字。

八、载流子的复合与寿命

不存在电场时，由于电子和空穴在晶格中的运动是无规则的，所以在运动中，电子和空穴常常碰在一起，即电子跳到空穴的位置上，把空穴填补掉，这时电子和空穴就随之消失，这种现象叫做电子和空穴的复合，即载流子复合。

电子和空穴不断复合，同时在温度的影响下游不断产生电子和空穴，如果晶体的温度不变，又没有外来的光、电因素，那么，单位时间内复合的电子空穴数目和产生的电子空穴数目相等。所以晶体的总的载流子浓度保持不变，这叫平衡状态。

在外来作用下，只要外来作用有利于电子、空穴产生，例如光照射时，电子空穴的产生率大于复合率，平衡状态被破坏，半导体出现比原来溶度多余的电子和空穴，这些比平衡状态多出来的电子和空穴就叫平衡载流子。外来作用消失后，非平衡载流子通过复合作用，经过一段时间又逐渐消失，这段逐渐消失的时间就叫非平衡载流子寿命。所谓寿命就是非平衡载流子在半导体中存在的时间。

九、基磷、基硼的检测

基磷——是指在多晶硅中所含杂质磷的真实浓度。

基硼——是指在多晶硅中所含杂质硼的真实浓度。

磷、硼的检测就是运用挥发、分凝的物理方法定量的分析多晶硅中磷、硼的含量，这种方法称“区熔检验”。

在检验多晶硅磷含量时，通常把样品放在气氛保护下区熔1～2次，测得样品纵向电阻率，并取其离始端80%左右的区域电阻率的平均值作为磷的表观电阻率，算出相应浓度（即被硼补偿后的浓度），磷的绝对浓度还要加上基硼浓度。这个过程称为“磷检”。

如果把样品放在真空下（10-4～10-5mmHg）反复提纯若干次，使磷得到充分的挥发，样品全部由N型转变为P型，纵向电阻率符合浓度分布规律，并取其离始端60%左右的区域电阻率的平均值作为硼的表观电阻率，算出相应浓度（实际也是被残留磷补偿后的浓度）。这个过程称为“硼检”。

综上所述，多晶硅基磷、基硼的最后表示是：

基磷C P = △C P + C B

基硼C B = △C B + C′P

式中：C P——磷绝对浓度（个原子/厘米3）

△C P——被硼补偿后的磷浓度（个原子/厘米3）

C B——硼绝对浓度（个原子/厘米3）

△C B——被残留磷补偿后的硼浓度（个原子/厘米3）

C′P——残留磷浓度（个原子/厘米3）

一般C′P≤△C B，所以C B≈△C B。当基硼比基磷小的多时，C P≈△C P。