第二章 半导体材料与晶体管

半导体（semi-conductor)材料是构成当今电子技术的基础，因此在研究和学习电子技术、集成电路技术时，不得不谈半导体材料，以及由半导体材料构成基础电子器件的原理、结构和性能。从导电性的角度看物体可分为导体（conductor)、半导体（semi-conductor)和绝缘体（insulator）三种。

• 导体（conductor）：自然界中容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体，导体的电阻率约为10^-8Ω至10^-4Ωcm。
• 绝缘体(insulator)：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。绝缘体的电阻率约为10⁸Ω至10¹⁸Ωcm。
• 半导体(semiconductor)：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体的电阻率值介于导体和绝缘体之间，即10^-4Ω至10⁸Ωcm。

图1 物质的电阻率

半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。（1）当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。 （2）往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。

下面就这三种物体或材料的导电原理即导电性能做个简单介绍。

1. 物体材料的构成

一般物质是由分子构成的，而分子又是由原子构成的。多数物质由不同元素经过化学反应形成化合物如H2O，CO2等，还有一类物质是由单元素组成如H2, O2,Cl2等，这样的分子由于原子之间有稳固的共价键结合，在分子之间几乎没有游离的电子存在因此都是不良导体或绝缘体。由单元素组成的物质中有一部分通过原子之间的共价键或金属键结合。金属是由单元素组成的物质，而且具有良好的导电性。另外一种单元素组成的物质其导电性介于导体和绝缘体之间，由这类物质形成的物体称为半导体。如硅Si、锗Ge，磷(P)等。

2. 原子

原子由原子核和电子组成，而原子核又由质子和中子构成。质子带正电荷，中子不带电荷，原子核带正电，电子带负电荷。质子的数量与电子的数量相等，电子围绕原子核作轨道运动。如图2所示，

图2 原子结构

2. 能带理论

在研究物体或材料导电性能时，能带理论是解释传导差异的主要方法之一。也是一种解释原子核外电子运动轨道的理论。它认为电子只能在特定的、分立的轨道上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量，这些能量值即为能级。由于距原子核越远的电子越不受束缚，因此其能级越高，该电子具有越多的电子能量。电子可以在不同的轨道间发生跃迁，电子吸收能量可以从低能级跃迁到高能级或者从高能级跃迁到低能级从而辐射出光子。氢原子的能级可以由它的光谱显示出来。如图3所示。

“能带”能解释传导的许多物理特性。 电子在允许的能量水平级上绕单个原子的正核运行。在许多原子中，能级重组为两个带，即价带和导带。价带是电子的低能级，导带是电子的高能级。 电子不能存在的能带之间存在能隙。当物体受到光照或受热后电子受激发后会在能带间跃迁，即从一个能带级跳跃至另一个能带级上绕原子核运行。当传导发生时，导带中电子会移动形成电流。如图4所示。

图4 电子能带图

3.化学键

物质一般由粒子通过化学键（Chemical bond）相互结合，粒子是带有正或负电的原子以及电子构成。化学键有多种，一般常用的有金属键、离子键、氢键和共价键等几种。这里主要讨论金属键和共价键。

Metallic bond(金属键)

金属键（metallic bond）是化学键的一种，主要在金属中存在。由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成。由于电子的自由运动，金属键没有固定的方向，因而是非极性键。一般金属的熔点、沸点随金属键的强度而升高。金属键强弱通常与金属离子半径成逆相关，与金属内部自由电子密度成正相关（便可粗略看成与原子外围电子数成正相关）。由于金属键对电子的约束较弱，因此价电子可以无规则的自由运动，但金属由于整体原子核所带正电与电子所带负电达到平衡，因此物体对外显示电中性。一旦外部有定向电场，这些无规则运动的电子就会按照电场的方向移动形成电流。

图5 金属键

• 共价键

共价键（covalent bond）也是化学键的一种。两个或多个非金属原子共同使用它们的外层电子（砷化镓为例外），在理想情况下达到电子饱和的状态，由此组成比较稳定和坚固的化学结构。

• • 电子饱和

按照简单的电子壳模型一个原子的外层电子在达到饱和状态下最稳定。对大多数原子来说，外层电子数为8时它们达到饱和，即“八隅体”。这时它们的外层电子数与同周期的惰性气体元素的外层电子数相同。以氯化氢为例，在氯化氢分子中氢原子并没有将它的外层电子交给氯原子。而是两个原子共用一对外层电子而达到饱和状态。以氧分子为例，每个氧原子的原子核外部含有6个电子，这六个电子中的四个组成两对，其它两个单独存在，分布在不同的能带上。

图6 氧原子模型

这两个单独的电子与另一个原子中相应的单独的电子结合组成两个新的共用的电子对形成“八隅体”，由此达到电子饱和的状态。因此两个氧原子组队形成氧分子O2,如图7所示。

图7 氧分子结构

• 网状共价键

网状共价键(Network covalent bonding)，是原子晶体的主要化学键，是晶体结构的主要连接键。

网状共价键是共价键中的一种，它所形成的物质不是一个个的分子，而是一个大的原子晶体。网状共价键的连接之力很强，若想使键断开则需要有很大的能量，所以以网状共价键作为化学键的物质的熔点和沸点都较高、硬度也很大，最典型的例子之一就是金刚石。图8为硅晶体的立体结构。中间一个原子，其它四个原子分布在4面体的顶点上，

图8 晶体的4面体结构

 

• • 半导体材料的共价键

半导体材料的原子结构如图9所示，一般最外层的价电子为4个。因此一般4个原子核相互结合以立体结构的方式形成共价键，如图8。半导体材料共价键结构如图10所示。

图9 半导体材料硅 （Si）、锗（Ge）的原子结构

图10 硅、锗等半导体材料共价键

小结：上述内容论述了材料的导电性，根据导电性分为导体、绝缘体和半导体。在材料的结构及构成方面介绍了原子结构、能带理论、共价键等基本理论，最后介绍了半导体材料的共价键结构，并根据共价键结构解释了晶体的形成原理以及晶体的基本结构。