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第一节 半导体材料及特性

半导体材料是构成半导体器件的基础,也是生产大规模集成电路的基础材料。不同半导体材料性能不同,对于半导体器件的研制生产要求也不一样。并不是说只要是半导体材料就能轻易生产出半导体器件,一般来说用于生产半导体器件和集成电路的半导体材料都是经过特殊工艺制作的,而且对材料的性能也有较高的要求。半导体材料一般分为单元素纯净半导体和掺杂半导体两种,单元素纯净半导体又称为本征半导体(intrinsic Semiconductor)。

1. 本征半导体

纯净的单元素且具有晶体结构的半导体称为本征半导体(intrinsic Semicoductor, non-doping semiconductor)。半导体的共价键不同于导体处于低价(电子处在高能带),也不同与绝缘体处在高价(电子处在低能带),半导体的共价键对电子的约束介于导体和绝缘体之间,具有一定的导电性,因此称为半导体。半导体的价电子易受光照,受热等激发,在强光和高温的情况下导电率会显著增加。

  • 本征半导体的晶体结构

将纯净的单元素半导体经过一定的工艺过程制成单晶体,即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格(Cristal lattice)。如Si,Ge都是4面体结构,如图1所示。半导体材料电子的能带结构平面示意图,如图2所示。

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图1 半导体材料的晶体结构

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图2 半导体材料电子的能带轨道

 

由于原子核的尺寸很小,相邻原子间的距离也很小,因此相邻的两个原子的一对最外层电子(即价电子)不但各自围绕自身所属的原子核运动,而且出现在相邻原子所属的轨道上,成为共用电子,这样的组合称为共价键结构,如图3所示。图中标有“+4”的圆圈表示除价电子外的正离子。

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图3 半导体共价键结构

  • 本征半导体中的载流子

上面谈到半导体中的共价键不如绝缘体中共价键对电子约束的强,因此半导体中的电子在获得一定的能量后会脱离共价键的约束成为自由电子(free electrons),同时在共价键上留出一个空位,称为空穴(hole),此时失去电子原子核带正电,电子带负电,但从物体的整体角度看仍然呈电中性。但常温下能挣脱共价键的约束成为自由电子的数量极少,此时在半导体的两端加上正负电压,将会在半导体内流过极小的电流,但与绝缘体相比要高1到几个数量级。

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图4 本征半导体中自由电子和空穴

    • 载流子电流

半导体中的自由电子在电场的作用下按照电场的方向移动形成电流,从图5的示意图可以看出,由电源负极提供的电子有一半维持自由电子的流动,另一半用于填充空穴,而填充的空穴或其它空穴由于热激发又会脱离共价键形成自由电子。被填充的空穴由于又失去电子再次变成空穴,因此形成空穴按电场相反方向移动的现象。在半导体内部出现了两种载流子,自由电子和空穴,按照相反的方向移动,电子带负电,空穴带正电,因此电流是两种载流子之和。运载电荷的粒子称为载流子。导体导电只有一种载流子,即自由电子导电;而本征半导体有两种载流子,即自由电子和空穴均参与导电,这是半导体导电的特殊性质。

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图5  载流子在电场的作用下形成电流

    • 本征半导体中载流子的浓度

半导体在光照或热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发(intrinsic 。自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,使两者同时消失,这种现象称为复合。在一定的温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对,与复合的自由电子与空穴对数目在统计上相等的,达到动态平衡。也就说,在一定环境下,半导体中载流子的浓度是一定的,并且自由电子与空穴的浓度相等。当环境温度升高时,热运动加剧,挣脱共价键束缚的自由电子增多,空穴也随之增多,即载流子的浓度升高,因而必然使得导电性能增强。反之,若环境温度降低,则载流子的浓度降低,因而导电性能变差,可见,本征半导体载流子的浓度是环境温度的函数。理论分析表明,本征半导体载流子的浓度为
ni = pi = K1T3/2e-EGo/(2kT)                                                                                (1)

式中ni和pi分别表示自由电子与空穴的浓度(cm-3),T为热力学温度(K),k为玻尔兹曼常数(8.63×10-5 eV/K),Eco为热力学零度时破坏共价键所需的能量,又称禁带宽度(硅为1.21 eV,锗为0.785 eV),K1是与半导体材料载流子密度计算的常量(硅为3.87 x 1016cm-3 •K-3/2, 锗为1.76 x 10l6cm-3 •  K-3/2, 其中cm-3和K-3/2  分别为体积和温度对应的量纲)。

根据公式(1)可以看出,当T=0(-273°)时ni=pi=0,载流子的浓度为0,在绝对温度为零时,本征半导体成为绝缘体。随着温度上升,本征半导体内的载流子数目近似成制数曲线上升。在常温下T=300 K时,硅材料本征载流子浓度

ni= pi=1.43 x1010cm-3,锗材料的本征载流子浓度ni=pi=2.38 x1013cm-3,可见在常温下硅、锗虽然都为半导体材料,但锗材料的载流子浓度远高于硅材料(高3个数量级),因此锗材料的导电率远高于硅。

由于半导体材料对温度和光照都比较敏感,因此利用该特性可以制作温控和光控器件。

2. 掺杂半导体

本征半导体由于共价键的约束载流子的浓度很低。如果在本征半导体的材料内掺杂其它元素如磷或硼等元素,由于磷和硼的价电子为5和3,破坏了原有的共价键结构,使得掺杂半导体内有多余的电子或空穴,此时载流子浓度远高于本征半导体的载流子浓度,因此掺杂后的半导体导电率明显提高。在本征半导体内掺杂其它杂质形成的半导体称为掺杂半导体(doping Semiconductor)。

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图6 缠在磷元素的半导体

图6是在硅或锗半导体内掺杂磷元素,由于磷的价电子为5个,在形成共价键时将会多出一个电子,这个多出的电子成为自由电子,因此在电场的作用下会定向移动形成电流。该掺杂半导体主要以自由电子为主,称为多子(多数载流子),而空穴称为少子(少数载流子)。掺入杂质越多,导电性能越强。由于自由电子是由磷原子提供,磷原子称为施主原子。

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图7  掺杂硼元素的半导体

图7中显示硼原子与硅或锗形成的共价键中,由于硼的价电子为3,因此在形成共价键时就会多出一个空穴。在该掺杂的半导体中,多余的空穴可以参与导电,而空穴成为多子,电子成为少子。空穴的浓度越高,导电性能越强。由于在空穴电子复合时,硼原子接受电子,因此称硼原子为受主原子。

  • N型半导体

如图6所示(掺杂磷元素),由于多子为自由电子,电子带负电,因此称为N型半导体(Negative Semiconductor)。

  • P型半导体

如图7所示(掺杂硼元素),由于多子为空穴,空穴带正电,因此称为P型半导体(Positive Semiconductor)。

  • 多子的浓度

在掺杂半导体中,载流子主要以多子为主,多子与少子复合的机会增加,多子的浓度越高,少子的浓度就会越低,载流子的浓度约等于多子的浓度。P型半导体中pi>>ni, N型半导体 ni>>pi,这一点与本征半导体有着明显的区别。掺杂半导体的多子浓度主要由掺杂浓度决定,该浓度并不受温度和光照的影响,因此可以利用掺杂浓度改变半导体的导电率。

  • 少子浓度

少子浓度是受本征激发产生,虽然少子的浓度较低,但少子的浓度对温度和光照非常敏感,这个特性对半导体的性能影响很大,除非有意加以利用,多数情况下对利用半导体材料制成的器件性能有不利影响。

 

 

 

 

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