半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)

1、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí) 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí) 導(dǎo)體，絕緣體和半導(dǎo)體自然界的各種物質(zhì)就其導(dǎo)電性能來(lái)說、可以分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三大類。 導(dǎo)體具有良好的導(dǎo)電特性，常溫下，其內(nèi)部存在著大量的自由電子，它們?cè)谕怆妶?chǎng)的作用下做定向運(yùn)動(dòng)形成較大的電流。因而導(dǎo)體的電阻率很小，只有金屬一般為導(dǎo)體，如銅、鋁、銀等，它們的電阻率一般在104歐姆·厘米以下。 絕緣體幾乎不導(dǎo)電，如橡膠、陶瓷、塑料等。在這類材料中，幾乎沒有自由電子，即使受外電場(chǎng)作用也不會(huì)形成電流，所以，絕緣體的電阻率很大，它們的電阻率在109歐姆·厘米以上。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅、鍺、硒等，它們的電阻率通常在之

2、間。半導(dǎo)體之所以得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樗膶?dǎo)電能力受摻雜、溫度和光照的影響十分顯著。如純凈的半導(dǎo)體單晶硅在室溫下電阻率約為，若按百萬(wàn)分之一的比例摻入少量雜質(zhì)（如磷）后，其電阻率急劇下降為，幾乎降低了一百萬(wàn)倍。半導(dǎo)體具有這種性能的根本原因在于半導(dǎo)體原子結(jié)構(gòu)的特殊性。它具有如下的主要特征。（l）雜質(zhì)影響半導(dǎo)體導(dǎo)電性能 在室溫下，半導(dǎo)體的電阻率在 104109歐姆·厘米之間。而且，加入微量雜質(zhì)能顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。摻入的雜質(zhì)量不同時(shí)，可使半導(dǎo)體的電阻率在很大的范圍內(nèi)發(fā)生變化。另外，在同一種材料中摻入不同類型的雜質(zhì)，可以得到不同導(dǎo)電類型的材料。（2）溫度影響半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性能 溫度能顯著

3、改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。在一般的情況下，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度升高而迅速增加，也就是說，半導(dǎo)體的電阻率具有負(fù)溫度系數(shù)。而金屬的電阻率具有正溫度系數(shù)，且隨溫度的變化很慢。（3）有兩種載流子參加導(dǎo)電 在半導(dǎo)體中，參與導(dǎo)電的載流子有兩種。一種是為大家所熟悉的電子，另一種則是帶正電的載流子，稱為空穴。而且同一種半導(dǎo)體材料，既可以形成以電子為主的導(dǎo)電，也可以形成以空穴為主的導(dǎo)電。在金屬中則僅靠電子導(dǎo)電，而在電解質(zhì)中，靠正離子和負(fù)離子同時(shí)導(dǎo)電。（4）其它外界條件對(duì)導(dǎo)電性能的影響 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會(huì)隨光照而發(fā)生變化。例如一層淀積在絕緣基板上的硫化鎘薄膜，其暗電阻約為數(shù)十兆歐，當(dāng)受光照后，其電阻可下降到數(shù)十千

4、歐。這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。此外，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會(huì)隨電場(chǎng)、磁場(chǎng)、壓力和環(huán)境的作用而變化，具有其它特性和效應(yīng)。 物體的導(dǎo)電能力，一般用材料電阻率的大小來(lái)衡量。電阻率越大，說明這種材料的導(dǎo)電能力越弱。表1-1給出以電阻率來(lái)區(qū)分導(dǎo)體，絕緣體和半導(dǎo)體的大致范圍。 物體 電阻率導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體· cm<10e-410e-310e9>10e9半導(dǎo)體材料的類別元素半導(dǎo)體元素周期表中, 已經(jīng)知道有十來(lái)個(gè)元素具有半導(dǎo)體性質(zhì)，其中，形態(tài)穩(wěn)定、工藝成熟的只有硅、鍺、硒三種。硅具有優(yōu)良的半導(dǎo)體性質(zhì)，是現(xiàn)代最主要的半導(dǎo)體材料，已在晶體管、集成電路及其它器件中大量使用。鍺也具有良好的半導(dǎo)體的性質(zhì)

5、，是重要的半導(dǎo)體材料之一。硒的半導(dǎo)體性質(zhì)發(fā)現(xiàn)得很早，用于制作整流器、光電導(dǎo)器件等。其它元素半導(dǎo)體都還未獲得實(shí)際應(yīng)用。 化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體可分為無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體和有機(jī)化合物半導(dǎo)體兩種。有機(jī)化合物半導(dǎo)體仍處研究探索階段，一般所說的化合物半導(dǎo)體指無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體。無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體由兩種（二元系）或多種（多元系）元素組成。由iii族和v族元素組成的iii-v族化合物半導(dǎo)體gaas是應(yīng)用最廣的化合物半導(dǎo)體，用于制作微波器件、激光器和集成電路。其它如inp、alp、gap、inas、insb等iii-v族化合物半導(dǎo)體，zns、cds、znse、hgse等ii-vi族化合物半導(dǎo)體、iv-iv族化合物半

6、導(dǎo)體材料sic等都有一定的應(yīng)用。多元系化合物半導(dǎo)體用途較少。 固溶半導(dǎo)體由兩個(gè)或兩個(gè)以上具有足夠含量的的元素構(gòu)成的固體溶液，如果具有半導(dǎo)體性質(zhì)，就稱為固溶半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱固溶體或混晶。半導(dǎo)體材料中提純殘留的雜質(zhì)和有意摻入的雜質(zhì)與本體材料也形成固溶體，但因這些雜質(zhì)的含量很低，在半導(dǎo)體材料的分類中不屬于固溶半導(dǎo)體。另一方面，固溶半導(dǎo)體又與化合物半導(dǎo)體有區(qū)別，后者是靠其價(jià)鍵按一定化學(xué)配比構(gòu)成，而固溶體組成元素的含量在其固溶度范圍內(nèi)可連續(xù)變化，其半導(dǎo)體及有關(guān)性質(zhì)也隨之變化。利用固溶半導(dǎo)體的這一特點(diǎn)可得到性質(zhì)多樣的半導(dǎo)體材料以滿足不同的應(yīng)用要求。主要的固溶體半導(dǎo)體有：元素固溶體ge-si，iii-v族固溶體

7、ga1-xalxas，ii-vi族固溶體hgxcd1-xte等。晶體與非晶體自然界的物質(zhì)最常見的形態(tài)有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。固態(tài)或稱固體，又可分為晶體和非晶體。晶體和非晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理、化學(xué)性質(zhì)有本質(zhì)的區(qū)別。玻璃、松香和橡膠等是非晶體；鍺、硅等半導(dǎo)體芯片材料，銅、鐵、鋁等金屬，以及石英、食鹽、金剛石等是晶體。晶體區(qū)別于非晶體的主要特征有以下方面：1 晶體通常具有規(guī)則的幾何形狀 如食鹽晶體為立方體，石英晶體為六方柱體等；而玻璃、橡膠等非晶體就沒有規(guī)則的外形。2 晶體具有固定的熔點(diǎn) 晶體在熔化或凝固過程中，保持確定不變的溫度，這一溫度稱為晶體的熔點(diǎn)。只有當(dāng)晶體全部熔化或全部凝固后，它的溫度才發(fā)生變

8、化。而非晶體則沒有確定的熔點(diǎn)。3 晶體具有各向異性性 晶體的機(jī)械、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等物理和化學(xué)性質(zhì)隨其方向不同而不同，非晶體的物理、化學(xué)性質(zhì)則是各向同性的。以上特征是從外部宏觀地來(lái)進(jìn)行分析的，晶體與非晶體的差異由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同所決定。晶體內(nèi)部原子排列高度規(guī)則，具有一定的剛性和對(duì)稱性非晶體則是一種無(wú)定形結(jié)構(gòu)。一般說，由原子或離子有規(guī)則的周期性排列構(gòu)成的固體材料稱為晶體。多晶體和單晶體晶體有多晶體和單晶體之分。單晶體內(nèi)的原子（或離子）都按同一規(guī)律周期性地排列。常用的半導(dǎo)體材料鍺、硅、砷化鎵都制成單晶體。多晶體則由許多取向不同的小單晶體（又稱晶粒）組成，多晶體內(nèi)的原子（或離子）呈局部周期性規(guī)則排列，

9、不同的局部區(qū)域中原子排列的方向不同。 n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體 摻雜半導(dǎo)體分為n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體兩類。在鍺和硅中摻入磷、砷、銻等v族元素時(shí)，這些雜質(zhì)在鍺和硅中起提供電子的作用，使這些半導(dǎo)體以電子導(dǎo)電為主。這類雜質(zhì)叫做施主雜質(zhì)。以電子導(dǎo)電為主的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體，相應(yīng)的雜質(zhì)也叫做n型雜質(zhì)。而在鍺和硅中摻入硼、鋁、鎵或銦等族元素時(shí)，這些雜質(zhì)在鍺和硅中起提供空穴的作用，使這些半導(dǎo)體以空穴導(dǎo)電為主。這類雜質(zhì)叫做受主雜質(zhì)。以空穴導(dǎo)電為主的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體。相應(yīng)的雜質(zhì)也叫做p型雜質(zhì)。一般說，施主和受主雜質(zhì)均為替位式雜質(zhì)。它們摻入晶體后，要取代晶格中硅原子的位置。見圖4- 2。圖4- 2 硅

10、中施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)圖4- 2（a）中，磷原子有五個(gè)價(jià)電子，由于硅晶體中每個(gè)原子只有四個(gè)近鄰原子，因此，在硅原子位置上的磷原子在同周圍硅原子組成共價(jià)鍵結(jié)合時(shí)，只需四個(gè)電子，還多一個(gè)電子。這個(gè)多余的電子不受共價(jià)鍵束縛，因此容易掙脫束縛，變成導(dǎo)帶電子。這種能釋放電子的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì)。使這個(gè)多余電子激發(fā)到導(dǎo)帶所需的能量稱為施主雜質(zhì)電離能。圖4- 2（b）中，硼原子有三個(gè)價(jià)電子，它同周圍硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，還缺一個(gè)電子，需要從附近硅原子價(jià)鍵中奪取一個(gè)電子補(bǔ)充，原子便多一個(gè)電子，成為負(fù)離子，同時(shí)，在晶體中產(chǎn)生一個(gè)空穴?？昭ㄈ菀讙昝撆痣x子的束縛成為價(jià)帶中的導(dǎo)電空穴。這種接受電子而產(chǎn)生空穴的雜質(zhì)

11、稱為受主雜質(zhì)。使空穴掙脫束縛成為價(jià)帶導(dǎo)電空穴所需能量稱作受主雜質(zhì)電離能。由于雜質(zhì)能級(jí)靠近導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂，所以電離能遠(yuǎn)小于禁帶寬度。室溫下幾乎所有雜質(zhì)都是電離的，而本征激發(fā)要難得多。通常情況下，雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度比本征半導(dǎo)體載流子濃度高得多，導(dǎo)電能力因此也強(qiáng)得多。多數(shù)載流子與少數(shù)載流子在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，電子與空穴的濃度不再相等。在n型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子；p型半導(dǎo)體則相反，空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。多數(shù)載流子簡(jiǎn)稱多子，是雜質(zhì)激發(fā)載流子與本征激發(fā)載流子之和。少數(shù)載流子簡(jiǎn)稱少子，只由本征激發(fā)產(chǎn)生。在室溫下，雜質(zhì)全部電離，每個(gè)雜質(zhì)均提供一個(gè)載流子。一般情況下，由于摻雜

12、濃度遠(yuǎn)大于本征載流子濃度，所以多子濃度遠(yuǎn)大于少子濃度。雜質(zhì)補(bǔ)償本征半導(dǎo)體中摻入n型雜質(zhì)就成為n型半導(dǎo)體，摻入p型雜質(zhì)就成為p型半導(dǎo)體。在實(shí)際的半導(dǎo)體中，如果同時(shí)存在受主雜質(zhì)和施主雜質(zhì)，受主雜質(zhì)所產(chǎn)生的空穴通過復(fù)合與施主雜質(zhì)所提供的電子相抵消，將使總的載流子數(shù)減少，這種現(xiàn)象稱為雜質(zhì)補(bǔ)償。決定補(bǔ)償后半導(dǎo)體導(dǎo)電類型和載流子濃度的是兩種雜質(zhì)補(bǔ)償后的凈濃度，即（ndna）或（nand）。其中nd為施主雜質(zhì)濃度，na為受主雜質(zhì)濃度。當(dāng)ndna時(shí)，半導(dǎo)體呈n型；反之，當(dāng)nand時(shí)，半導(dǎo)體呈p型。若ndna，施主雜質(zhì)產(chǎn)生的電子與受主雜質(zhì)產(chǎn)生的空穴剛好全部復(fù)合而抵消。這時(shí)，不管半導(dǎo)體中雜質(zhì)有很多，載流子卻很少，

13、基本上只有本征激發(fā)產(chǎn)生。這種情況稱為高度補(bǔ)償。利用雜質(zhì)補(bǔ)償可以任意改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。但補(bǔ)償度過大對(duì)材料和器件的電學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生不良影響。電阻率電阻率是常用的半導(dǎo)體材料參數(shù)，它反映了半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)濃度的高低和半導(dǎo)體材料導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱。對(duì)純半導(dǎo)體材料，電阻率主要由本征載流子濃度決定。本征載流子濃度隨溫度的上升而急劇增加，而遷移率變化的影響只是次要的因素。本征半導(dǎo)體電阻率隨溫度增加而單調(diào)地下降。對(duì)雜質(zhì)半導(dǎo)體，有雜質(zhì)電離和本征激發(fā)兩個(gè)因素存在，又有電離雜質(zhì)散射和晶格散射兩種散射機(jī)構(gòu)存在，因而電阻率隨溫度的變化關(guān)系要復(fù)雜些。圖4- 3 表示一定雜質(zhì)濃度的半導(dǎo)體硅材料的電阻率和溫度的關(guān)系。圖4- 3 硅電

14、阻率與溫度關(guān)系示意圖從上圖可以看出，一定雜質(zhì)濃度的硅材料的電阻率和溫度的關(guān)系曲線大致可分為三段。在曲線的ab段，本征激發(fā)可忽略，載流子主要由雜質(zhì)電離提供，它隨溫度升高而增加；散射主要由電離雜質(zhì)決定，遷移率也隨溫度升高而增大。所以，電阻率隨溫度升高而下降。bc段為包括室溫在內(nèi)的一段溫度范圍，雜質(zhì)全部電離，本征激發(fā)還不顯著，載流子基本上不隨溫度變化；在這段溫度范圍，晶格散射為主要的散射機(jī)構(gòu)，遷移率隨溫度升高而降低。所以，電阻率隨溫度升高而增大。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到曲線的cd段時(shí)，本征激發(fā)很快增加，大量產(chǎn)生的本征載流子的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過遷移率減小對(duì)電阻率的影響，表現(xiàn)出與本征半導(dǎo)體相似的特性。顯然，雜質(zhì)濃度越

15、高，進(jìn)入本征導(dǎo)電占優(yōu)勢(shì)的溫度也越高。結(jié)晶結(jié)晶的概念溶液中的溶質(zhì)在一定條件下，因分子有規(guī)則的排列而結(jié)合成晶體，晶體的化學(xué)成分均一，具有各種對(duì)稱的晶體，其特征為離子和分子在空間晶格的結(jié)點(diǎn)上呈規(guī)則的排列固體有結(jié)晶和無(wú)定形兩種狀態(tài)結(jié)晶析出速度慢，溶質(zhì)分子有足夠時(shí)間進(jìn)行排列，粒子排列有規(guī)則無(wú)定形固體析出速度快，粒子排列無(wú)規(guī)則結(jié)晶操作的特點(diǎn)只有同類分子或離子才能排列成晶體，因此結(jié)晶過程有良好的選擇性。通過結(jié)晶，溶液中大部分的雜質(zhì)會(huì)留在母液中，再通過過濾、洗滌，可以得到純度較高的晶體。結(jié)晶過程具有成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，廣泛應(yīng)用于氨基酸、有機(jī)酸、抗生素、維生素、核酸等產(chǎn)品的精制。結(jié)晶過程分析幾個(gè)概念飽和

16、溶液：當(dāng)溶液中溶質(zhì)濃度等于該溶質(zhì)在同等條件下的飽和溶解度時(shí)，該溶液稱為飽和溶液；過飽和溶液：溶質(zhì)濃度超過飽和溶解度時(shí)，該溶液稱之為過飽和溶液；溶質(zhì)只有在過飽和溶液中才能析出；凱爾文（kelvin）公式溶質(zhì)溶解度與溫度、溶質(zhì)分散度（晶體大小）有關(guān)。c2-小晶體的溶解度； c1-普通晶體的溶解度-晶體與溶液間的表面張力；-晶體密度2-小晶體的半徑； 1-普通晶體半徑 r-氣體常數(shù)； t-絕對(duì)溫度結(jié)晶過程的實(shí)質(zhì)結(jié)晶是指溶質(zhì)自動(dòng)從過飽和溶液中析出，形成新相的過程這一過程包括：溶質(zhì)分子凝聚成固體分子有規(guī)律地排列在一定晶格中這一過程與表面分子化學(xué)鍵力變化有關(guān)；因此，結(jié)晶過程是一個(gè)表面化學(xué)反應(yīng)過程。晶體的形成形成新相（固體）需要一定的表面自由能。因此，溶液濃度達(dá)到飽和溶解度時(shí)，晶體尚不能析出，只有當(dāng)溶質(zhì)濃度超過飽和溶解度后，才可能有晶體析出。首先形成晶核，由kelvin公式，微小的晶核具有較大的溶解度。實(shí)質(zhì)上，在飽和溶液中，晶核是處于一種形成溶解再形成的動(dòng)態(tài)平衡之中，只有達(dá)到一定的過飽和度以后，晶核才能夠穩(wěn)定存在。結(jié)晶的步驟過飽和溶液的形成晶核的形成晶體生長(zhǎng) 其中，溶液達(dá)到過飽和狀態(tài)是結(jié)晶的前提；過飽和度是結(jié)晶的推動(dòng)力。飽和曲線和過飽和曲線穩(wěn)定區(qū)和亞穩(wěn)定區(qū)在溫度-溶解度關(guān)系圖中，ss曲線下方為穩(wěn)定區(qū)，在該區(qū)域任意一點(diǎn)溶液均是穩(wěn)定的；而在ss曲線和tt曲線之