半導(dǎo)體的基本理論

1、論文題目：半導(dǎo)體的基本理論 課程名稱： 功能材料概論 專業(yè)名稱： 應(yīng)用化學(xué) 學(xué) 號(hào)： 1109341009 姓 名： 成 績(jī)： 2014年3月30日半導(dǎo)體的基本理論摘要：半導(dǎo)體和絕緣體之間的差異主要來(lái)自兩者的能帶寬度不同。絕緣體的能帶比半導(dǎo)體寬，意即絕緣體價(jià)帶中的載流子必須獲得比在半導(dǎo)體中更高的能量才能跳過(guò)能帶，進(jìn)入導(dǎo)帶中。半導(dǎo)體材料很多，按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。鍺和硅是最常用的元素半導(dǎo)體；化合物半導(dǎo)體包括第和第族化合物。隨著時(shí)代的發(fā)展，半導(dǎo)體的市場(chǎng)需求已經(jīng)步入了黃金時(shí)期。關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體；元素半導(dǎo)體；磁性材料；半導(dǎo)體元件；能帶理論The Basic Theory of

2、SemiconductorsAbstract：Differences between the semiconductor and the insulator can be different from the width of the main two . Insulator band width than the semiconductor , an insulator means of the valence band of the carrier must be higher than the energy to jump in the semiconductor energy band

3、 into the conduction band .Many semiconductor materials, according to the chemical composition of the semiconductor elements can be divided into two categories, and compound semiconductors . Germanium and silicon is the most commonly used semiconductor element ; first compound semiconductor comprise

4、s a first aromatic compound . With the development of the times , the needs of the semiconductor market has entered a golden age .Key words：semiconductors；element semiconductor；magnetic material；semiconductor components；energy band theory引 言半導(dǎo)體是指一種導(dǎo)電性可受控制，范圍可從絕緣體至導(dǎo)體之間的材料。無(wú)論從科技或是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來(lái)看，半導(dǎo)體的重要性都是非常

5、巨大的。今日大部分的電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話或是數(shù)字錄音機(jī)當(dāng)中的核心單元都和半導(dǎo)體有著極為密切的關(guān)連。常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅更是各種半導(dǎo)體材料中，在商業(yè)應(yīng)用上最具有影響力的一種。1 半導(dǎo)體的定義 材料的導(dǎo)電性是由導(dǎo)帶中含有的電子數(shù)量決定。當(dāng)電子從價(jià)帶獲得能量而跳躍至導(dǎo)電帶時(shí)，電子就可以在帶間任意移動(dòng)而導(dǎo)電。一般常見(jiàn)的金屬材料其導(dǎo)電帶與價(jià)電帶之間的能隙非常小，在室溫下電子很容易獲得能量而跳躍至導(dǎo)電帶而導(dǎo)電，而絕緣材料則因?yàn)槟芟逗艽螅ㄍǔ４笥?電子伏特），電子很難跳躍至導(dǎo)電帶，所以無(wú)法導(dǎo)電。一般半導(dǎo)體材料的能隙約為1至3電子伏特，介于導(dǎo)體和絕緣體之間。因此只要給予適當(dāng)條件的能

6、量激發(fā)，或是改變其能隙之間距，此材料就能導(dǎo)電。材料中載流子（carrier）的數(shù)量對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性極為重要。這可以通過(guò)在半導(dǎo)體中有選擇的加入其他“雜質(zhì)”（III-A、V-A族元素）來(lái)控制。如果我們?cè)诩児柚袚诫s（doping）少許的砷或磷（最外層有5個(gè)電子），就會(huì)多出1個(gè)自由電子，這樣就形成N型半導(dǎo)體；如果我們?cè)诩児柚袚饺肷僭S的硼（最外層有3個(gè)電子），就反而少了1個(gè)電子，而形成一個(gè)空穴（hole），這樣就形成P型半導(dǎo)體（少了1個(gè)帶負(fù)電荷的原子，可視為多了1個(gè)正電荷）。2 半導(dǎo)體的分類 半導(dǎo)體材料很多，按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。按照其組分和制備方法不同又分為本征半導(dǎo)體、P型

7、半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體、磁性半導(dǎo)體1等。2.1 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體材料在元素周期表中的位置說(shuō)明了半導(dǎo)體材料的性質(zhì)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)，特別是原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，它們都居于周期表的A族。典型的半導(dǎo)體材料居于一A族，它們都具有明顯的共價(jià)鍵；都以金剛石型結(jié)構(gòu)結(jié)晶；它們的帶隙寬度隨原子序數(shù)的增加而遞減，其原因是其鍵合能隨電子層數(shù)的增加而減小。V-A族都是某一種同素異形體具有半導(dǎo)體性質(zhì)，其帶隙寬度亦隨原子序數(shù)的增加而減小。2.2 化合物半導(dǎo)體通常所說(shuō)的化合物半導(dǎo)體多指晶態(tài)無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體，即是指由兩種或兩種以上元素以確定的原子配比形成的化合物，并具有確定的禁帶寬度和能帶結(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體性質(zhì)。包括晶態(tài)無(wú)機(jī)化合物2(如III-

8、V族、II-VI族化合物半導(dǎo)體)及其固溶體、非晶態(tài)無(wú)機(jī)化合物(如玻璃半導(dǎo)體)、有機(jī)化合物(如有機(jī)半導(dǎo)體)和氧化物半導(dǎo)體等。通常所說(shuō)的化合物半導(dǎo)體多指晶態(tài)無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體。主要是二元化合物如：砷化鎵、磷化銦、硫化鎘、碲化鉍、氧化亞銅等，其次是二元和多元化合物，如鎵鋁砷、銦鎵砷磷、磷砷化鎵、硒銦化銅及某些稀土化合物(如SeN、YN、La2S3等)。2.3 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體完全不含雜質(zhì)且無(wú)晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。但實(shí)際半導(dǎo)體不能絕對(duì)的純凈，此類半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體一般是指其導(dǎo)電能力主要由材料的本征激發(fā)決定的純凈半導(dǎo)體。更通俗地講，完全純凈的、不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體

9、或I型半導(dǎo)體。主要常見(jiàn)代表有硅、鍺這兩種元素的單晶體結(jié)構(gòu)。2.4 P型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體即空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。摻入的雜質(zhì)越多，電子（空穴）的濃度就越高，導(dǎo)電性能就越強(qiáng)。2.5 N型半導(dǎo)體 在N型半導(dǎo)體中，自由電子為多子，空穴為少子，主要靠自由電子導(dǎo)電，由于N型半導(dǎo)體中正電荷量與負(fù)電荷量相等，故N型半導(dǎo)體呈電中性3。自由電子主要由雜質(zhì)原子提供，空穴由熱激發(fā)形成。摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導(dǎo)電性能就越強(qiáng)。2.6 磁性半導(dǎo)體 磁性半導(dǎo)體，顧名思義，指同時(shí)具有磁性和半導(dǎo)體性質(zhì)的材料。通常所說(shuō)的磁性半導(dǎo)體，即狹義的磁性半導(dǎo)體，指同時(shí)

10、具有磁性和半導(dǎo)體性質(zhì)的單一相的材料；而廣義上的磁性半導(dǎo)體包括了多相材料以及復(fù)合材料，并且要求磁性相與半導(dǎo)體相之間尊在耦合1。鐵磁金屬與半導(dǎo)體之間加入絕緣勢(shì)壘層或者使其形成非歐姆接觸，實(shí)現(xiàn)極化載流子以遂穿方式注入到半導(dǎo)體中4。即通過(guò)摻雜過(guò)渡金屬元素到III-A族、II-A族和IV族元素半導(dǎo)體材料中實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)磁性離子極化的d電子與導(dǎo)電載流子相耦合實(shí)現(xiàn)載流子的極化，并保留元半導(dǎo)體的帶隙。3 半導(dǎo)體的摻雜半導(dǎo)體之所以能廣泛應(yīng)用在今日的數(shù)字世界中，憑借的就是其能借由在其晶格中植入雜質(zhì)改變其電性，這個(gè)過(guò)程稱之為摻雜。摻雜進(jìn)入本征半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度與極性皆會(huì)對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性產(chǎn)生很大的影響。而摻雜過(guò)的半導(dǎo)體

11、則稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。3.1 摻雜物 一般而言，摻雜物依照其帶給被摻雜材料的電荷正負(fù)被區(qū)分為施主與受主。施主原子帶來(lái)的價(jià)電子多會(huì)與被摻雜的材料原子產(chǎn)生共價(jià)鍵，進(jìn)而被束縛。而沒(méi)有和被摻雜材料原子產(chǎn)生共價(jià)鍵的電子則會(huì)被施主原子微弱地束縛住，這個(gè)電子又稱為施主電子。和本征半導(dǎo)體的價(jià)電子比起來(lái)，施主電子躍遷至導(dǎo)帶所需的能量較低，比較容易在半導(dǎo)體材料的晶格中移動(dòng)，產(chǎn)生電流。雖然施主電子獲得能量會(huì)躍遷至導(dǎo)帶，但并不會(huì)和本征半導(dǎo)體一樣留下一個(gè)空穴，施主原子在失去了電子后只會(huì)固定在半導(dǎo)體材料的晶格中。因此這種因?yàn)閾诫s而獲得多余電子提供傳導(dǎo)的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體，n代表帶負(fù)電荷的電子。和施主相對(duì)的，受主原子進(jìn)入半導(dǎo)

12、體晶格后，因?yàn)槠鋬r(jià)電子數(shù)目比半導(dǎo)體原子的價(jià)電子數(shù)量少，等效上會(huì)帶來(lái)一個(gè)的空位，這個(gè)多出的空位即可視為空穴。受主摻雜后的半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體，p5代表帶正電荷的空穴。以一個(gè)硅的本征半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)明摻雜的影響。硅有四個(gè)價(jià)電子，常用于硅的摻雜物有三價(jià)與五價(jià)的元素。當(dāng)只有三個(gè)價(jià)電子的三價(jià)元素如硼摻雜至硅半導(dǎo)體中時(shí)，硼扮演的即是受主的角色，摻雜了硼的硅半導(dǎo)體就是p型半導(dǎo)體。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果五價(jià)元素如磷摻雜至硅半導(dǎo)體時(shí)，磷扮演施主的角色，摻雜磷的硅半導(dǎo)體成為n型半導(dǎo)體。一個(gè)半導(dǎo)體材料有可能先后摻雜施主與受主，而如何決定此外質(zhì)半導(dǎo)體為n型或p型必須視摻雜后的半導(dǎo)體中，受主帶來(lái)的空穴濃度較高或是施主帶來(lái)的電子濃度較

13、高，亦即何者為此外質(zhì)半導(dǎo)體的多數(shù)載流子。和多數(shù)載流子相對(duì)的是少數(shù)載流子。對(duì)于半導(dǎo)體元件的工作原理分析而言，少數(shù)載流子在半導(dǎo)體中的行為有著非常重要的地位。3.2 摻雜物對(duì)半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的影響摻雜之后的半導(dǎo)體能帶會(huì)有所改變。依照摻雜物的不同，本征半導(dǎo)體的能隙之間會(huì)出現(xiàn)不同的能階。施主原子會(huì)在靠近導(dǎo)帶的地方產(chǎn)生一個(gè)新的能階，而受主原子則是在靠近價(jià)帶的地方產(chǎn)生新的能階。假設(shè)摻雜硼原子進(jìn)入硅，則因?yàn)榕鸬哪茈A到硅的價(jià)帶之間僅有0.045電子伏特，遠(yuǎn)小于硅本身的能隙1.12電子伏特，所以在室溫下就可以使摻雜到硅里的硼原子完全解離化。摻雜物對(duì)于能帶結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重大影響是改變了費(fèi)米能階的位置。在熱平衡的狀態(tài)下費(fèi)

14、米能階依然會(huì)保持定值，這個(gè)特性會(huì)引出很多其他有用的電特性。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)p-n結(jié)的能帶會(huì)彎折，起因是原本p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能階位置各不相同，但是形成p-n結(jié)后其費(fèi)米能階必須保持在同樣的高度，造成無(wú)論是p型或是n型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶或價(jià)帶都會(huì)被彎曲以配合界面處的能帶差異。3.3 摻雜物對(duì)載流子的影響 摻雜物濃度對(duì)于半導(dǎo)體最直接的影響在于其載流子濃度。在熱平衡的狀態(tài)下，一個(gè)未經(jīng)摻雜的本征半導(dǎo)體，電子與空穴的濃度相等，即。其中是半導(dǎo)體內(nèi)的電子濃度、則是半導(dǎo)體的空穴濃度，則是本征半導(dǎo)體的載流子濃度。會(huì)隨著材料或溫度的不同而改變。對(duì)于室溫下的硅而言，大約是1.5×1010 cm-3。 通常

15、摻雜濃度越高，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性就會(huì)變得越好，原因是能進(jìn)入導(dǎo)帶的電子數(shù)量會(huì)隨著摻雜濃度提高而增加。摻雜濃度非常高的半導(dǎo)體會(huì)因?yàn)閷?dǎo)電性接近金屬而被廣泛應(yīng)用在今日的集成電路制程來(lái)取代部份金屬。高摻雜濃度通常會(huì)在或是后面附加一上標(biāo)的“+”號(hào)，例如代表?yè)诫s濃度非常高的n型半導(dǎo)體，反之例如則代表輕摻雜的p型半導(dǎo)體。需要特別說(shuō)明的是即使摻雜濃度已經(jīng)高到讓半導(dǎo)體退化為導(dǎo)體，摻雜物的濃度和原本的半導(dǎo)體原子濃度比起來(lái)還是差距非常大。以一個(gè)有晶格結(jié)構(gòu)的硅本征半導(dǎo)體而言，原子濃度大約是5×1022 cm-3，而一般集成電路制程里的摻雜濃度約在1013 cm-3至1018 cm-3之間。摻雜濃度在1018 cm

16、-3以上的半導(dǎo)體在室溫下通常就會(huì)被視為是一個(gè)簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。重?fù)诫s的半導(dǎo)體中，摻雜物和半導(dǎo)體原子的濃度比約是千分之一，而輕摻雜則可能會(huì)到十億分之一的比例。在半導(dǎo)體制程中，摻雜濃度都會(huì)依照所制造出元件的需求量身打造，以合于使用者的需求。4 半導(dǎo)體元件半導(dǎo)體器件是利用半導(dǎo)體材料的特殊電特性來(lái)完成特定功能的電子器件。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性介于良導(dǎo)體和絕緣體之間，這些半導(dǎo)體材料通常是硅、鍺或砷化鎵，并經(jīng)過(guò)格式特定的摻雜，產(chǎn)生P型或N型半導(dǎo)體，做成整流器、振動(dòng)器、放大器、激光器6等元件或設(shè)備。4.1 二極管二極管是具有陽(yáng)極和陰極兩端子，電流只能單向流動(dòng)。即電流可以從陽(yáng)極流向陰極，不能從陰極流向陽(yáng)極，這種特性被稱之為

17、整流作用。半導(dǎo)體二極管中，主要有兩大類：p-n結(jié)型二極管和肖特基效應(yīng)型二極管。以P-N結(jié)型二極管為例：P-N結(jié)二極管是N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體互相結(jié)合所構(gòu)成，p-n結(jié)去彼此的電子和空穴相互抵消，造成主要載流子不足，形成空乏層?？辗拥膬啥舜嬖陔娢徊?。但是如果讓兩端的載流子再結(jié)合，則兩端的電位差則變成零。4.2 場(chǎng)效應(yīng)晶體管(field-effect transistor,FET)場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種通過(guò)電場(chǎng)效應(yīng)控制電流的電子元件。它依靠電池去控制導(dǎo)電溝道形狀，因此能控制半導(dǎo)體材料中某類型載流子的溝道的導(dǎo)電性。4.3 太陽(yáng)能電池 太陽(yáng)電池的基本構(gòu)造是運(yùn)用P型與N型半導(dǎo)體接合而成的，這種結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)P

18、N結(jié)。當(dāng)太陽(yáng)光照射到一般的半導(dǎo)體（例如硅）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)7，但它們很快的便會(huì)結(jié)合，并且將能量轉(zhuǎn)換成光子photon或聲子phonon（熱），光子和能量相關(guān)，聲子則和動(dòng)量相關(guān)。在P-N半導(dǎo)體接合處，由于有效載子濃度不同而造成的擴(kuò)散，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由N指向P的內(nèi)建電場(chǎng)，因此當(dāng)光子被接合處的半導(dǎo)體吸收時(shí)，所產(chǎn)生的電子將會(huì)受電場(chǎng)作用而移動(dòng)至N型半導(dǎo)體處，電洞則移動(dòng)至P型半導(dǎo)體處，因此便能在兩側(cè)累積電荷，若以導(dǎo)線連接，則可產(chǎn)生電流。4.4 氧化物半導(dǎo)體邏輯門 邏輯門是在集成電路上的基本組件。簡(jiǎn)單邏輯門可由半導(dǎo)體組成，這些晶體管的組合可以使代表兩種信號(hào)的高低電平在通過(guò)它們之后產(chǎn)生高電平或者低電平的信

19、號(hào)。高、低電平可以分別代表邏輯上的“真”與“假”或二進(jìn)制當(dāng)中的1和0，從而實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算。4.5 GaAlAs/GaAs 半導(dǎo)體功率放大激光器在基本構(gòu)造上，它屬于半導(dǎo)體的P-N接面，但激光二極管是以金屬包層從兩邊夾住發(fā)光層（活性層），是“雙異質(zhì)接合構(gòu)造”。在N-GaAs 襯底上用MBE 法生長(zhǎng)GaAlAs/ GaAs的增益導(dǎo)引氧化物條形LD 外延片。其各層結(jié)構(gòu)依次為:下歐姆接觸層N+ -GaAs、下限制層N-GaAlAs、有源層P-GaAs、上限制層P-GaAlGaAlAsAs、上歐姆接觸層P-GaAs。在N-GaAlAs 層和P-GaAs 層之間構(gòu)成異質(zhì)結(jié), 在價(jià)帶形成凹口限制空穴繼續(xù)向N-G

20、aAl-GaAlAsAs 擴(kuò)散; P-GaAs 層和P-GaAlAs 層之間構(gòu)成異質(zhì)結(jié), 在導(dǎo)帶形成凹口限制電子繼續(xù)向P-GaAlAs 的進(jìn)一步擴(kuò)散, 使有源層P-GaAs 的載流子濃度大大提高, 使光增益達(dá)到最大。5 結(jié) 語(yǔ)通過(guò)以上的例子可看出，半導(dǎo)體在電子器件中無(wú)處不在。而半導(dǎo)體作為一門成長(zhǎng)工業(yè)還將存在好幾十年。參考文獻(xiàn)：1 喬瑞敏.新型磁性半導(dǎo)體材料與金剛烴的軟X射線光譜學(xué)研究 D.山東大學(xué),2012:5-13.2 YE Zhi-cheng ,SHU Yong-chun ,CAO Xue,GONG Liang .Thermodynamic analysis of growth of ternary III-V semiconductor materials by molecular-beam epitaxy J.Transactions of Nonf