半導(dǎo)體材料簡介 半導(dǎo)體材料的電特性詳解

自然界的萬物都有各自獨特的特性，我們?nèi)祟惸茏龅囊仓皇翘剿鬟@些物體的特性，并利用它為自己服務(wù)。在我們電子領(lǐng)域，根據(jù)物體的導(dǎo)電特性，通?？梢苑譃椋簩?dǎo)體，絕緣體，以及處于導(dǎo)體和絕緣體之間的半導(dǎo)體。我們今天要聊的就是這個特殊的材料——半導(dǎo)體。半導(dǎo)體幾乎撐起了現(xiàn)代電子技術(shù)的全部，二極管，晶體管以及IC都是由半導(dǎo)體材料制成。在可預(yù)見的未來，它們是大多數(shù)電子系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，服務(wù)于消費和工業(yè)市場的通信、信號處理、計算和控制應(yīng)用。

半導(dǎo)體材料簡介

下圖是來自公開網(wǎng)絡(luò)的一份關(guān)于材料導(dǎo)電特性的示意圖，材料的導(dǎo)電特性可以用電阻率ρ，或者電導(dǎo)率σ，這兩個希臘字母用的也特別到位，電導(dǎo)率σ， 就是電阻率ρ的倒數(shù)。絕緣體具有比較低的電導(dǎo)率，比如玻璃或者石英，而導(dǎo)體的電導(dǎo)率則比較高，比如銀，銅，鋁，金。在這里提醒一下大家，金雖然貴，但是電導(dǎo)率并不好，最好的是銀，越純越好，其次是紫銅，越純越好，黃銅就一般般了，另外有些導(dǎo)體在某種環(huán)境下，會變得更加導(dǎo)電，稱為超導(dǎo)體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電率處于絕緣體和導(dǎo)體之間，通常對溫度、光照、磁場和微量雜質(zhì)原子很敏感，比如每百萬硅原子添加約 10 個硼原子（稱為摻雜劑）可以將其電導(dǎo)率提高一千倍，常用的半導(dǎo)體材料比如硅Si ，鍺Ge，以及現(xiàn)在應(yīng)用比較廣的氮化鎵，砷化鎵等。

半導(dǎo)體材料的研究始于19世紀(jì)，這個時候還有一個重要的俄國化學(xué)家德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫總結(jié)整理的元素周期表。

這個還要感謝老朱家的貢獻(xiàn)了中國的元素周期表。

元素半導(dǎo)體是由單種原子組成的半導(dǎo)體，例如硅（Si），鍺（Ge）和錫（Sn）列在元素周期表的IV列，硒（Se）和碲（Te）列在元素周期表的VI列。然而，有許多由兩種或多種元素組成的化合物半導(dǎo)體。例如，砷化鎵 (GaAs) 是一種二元 III-V 化合物，它是來自 III 列的鎵(Ga) 和來自 V 列的砷(As) 的組合。三元化合物可以由來自三個不同列的元素形成——例如，碲化銦汞（HgIn 2 Te 4)，一種 II-III-VI 化合物。它們也可以由來自兩列的元素形成，例如砷化鋁鎵 (Al x Ga 1 - x As)，它是一種三元 III-V 化合物，其中 Al 和 Ga 都來自 III 列，下標(biāo)x相關(guān)兩種元素的組成從 100% Al ( x = 1) 到 100% Ga ( x = 0)。純的硅是集成電路應(yīng)用最重要的材料，而 III-V 二元和三元化合物對發(fā)光最重要。

在 1947 年雙極晶體管發(fā)明之前，半導(dǎo)體僅用作兩端器件，例如整流器和光電二極管。在 1950 年代初期，鍺是主要的半導(dǎo)體材料。然而，事實證明它不適用于許多應(yīng)用，因為由該材料制成的器件僅在適度升高的溫度下就表現(xiàn)出高泄漏電流。自 1960 年代初以來，硅已成為迄今為止使用最廣泛的半導(dǎo)體，幾乎取代了鍺作為器件制造材料。造成這種情況的主要原因有兩個：(1) 硅器件表現(xiàn)出低得多的漏電流，以及 (2)二氧化硅(SiO 2)，它是一種高質(zhì)量的絕緣體，很容易作為硅基器件的一部分。因此，硅技術(shù)已經(jīng)變得非常先進(jìn)和普及，硅器件占全球銷售的所有半導(dǎo)體產(chǎn)品的 95% 以上。

許多化合物半導(dǎo)體具有某些特定的電學(xué)和光學(xué)特性，優(yōu)于它們在硅中的對應(yīng)物。這些半導(dǎo)體，尤其是砷化鎵，主要用于光電和某些射頻 (RF) 應(yīng)用。

半導(dǎo)體材料的電特性

半導(dǎo)體材料也可以分為兩類：純半導(dǎo)體材料和參雜半導(dǎo)體材料。極純形式的半導(dǎo)體被稱為本征半導(dǎo)體。但是這種純形式的傳導(dǎo)能力太低了。為了增加本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，最好添加一些雜質(zhì)。這種添加雜質(zhì)的過程稱為摻雜。現(xiàn)在，這種摻雜的本征半導(dǎo)體被稱為外在半導(dǎo)體。

純半導(dǎo)體材料主要由硅和鍺，是一種單晶材料。，原子以三維周期性方式排列。該圖的A 部分顯示了包含可忽略不計雜質(zhì)的本征（純）硅晶體的簡化二維表示。晶體中的每個硅原子都被四個最近的鄰居包圍。每個原子有四個外軌道上的電子，并與它的四個鄰居共享這些電子。每個共享電子對構(gòu)成一個共價鍵。電子和兩個原子核之間的吸引力將兩個原子結(jié)合在一起。對于孤立的原子（例如，在氣體而不是晶體中），電子只能具有離散的能級。然而，當(dāng)大量原子聚集在一起形成晶體時，原子之間的相互作用導(dǎo)致離散的能級擴(kuò)散到能帶。當(dāng)沒有熱振動時（即在低溫下），絕緣體或半導(dǎo)體晶體中的電子將完全填滿許多能帶，而其余的能帶則為空。最高的填充帶稱為價帶。下一個能帶是導(dǎo)帶，它與價帶之間有一個能隙（晶體絕緣體中的間隙比半導(dǎo)體大得多）。這個能隙，也稱為帶隙，是一個指定晶體中電子不能擁有的能量的區(qū)域。大多數(shù)重要的半導(dǎo)體的帶隙在 0.25 到 2.5電子伏特之間(eV)。例如，硅的帶隙為 1.12 eV，砷化鎵的帶隙為 1.42 eV。相比之下，良好的結(jié)晶絕緣體金剛石的帶隙為 5.5 eV。

在低溫下，半導(dǎo)體中的電子被束縛在晶體中各自的能帶中。因此，它們不能用于導(dǎo)電。在較高溫度下，熱振動可能會破壞一些共價鍵，從而產(chǎn)生可以參與電流傳導(dǎo)的自由電子。一旦電子離開共價鍵，就會出現(xiàn)與該鍵相關(guān)的電子空位。該空位可能被相鄰的電子填充，這導(dǎo)致空位位置從一個晶體位置移動到另一個晶體位置。這種空位可以被視為一種虛構(gòu)的粒子，被稱為“空穴”，它攜帶正電荷并沿與電子相反的方向移動。當(dāng)電場應(yīng)用于半導(dǎo)體時，自由電子（現(xiàn)在位于導(dǎo)帶中）和空穴（留在價帶中）都穿過晶體，產(chǎn)生電流。材料的電導(dǎo)率取決于每單位體積的自由電子和空穴（電荷載流子）的數(shù)量以及這些載流子在電場影響下移動的速率。在本征半導(dǎo)體中存在相等數(shù)量的自由電子和空穴。然而，電子和空穴具有不同的遷移率。也就是說，它們在電場中以不同的速度運動。例如，對于室溫下的本征硅，電子遷移率為 1,500 平方厘米/伏秒（cm 2/V·s)——即，在每厘米 1 伏特的電場下，電子將以每秒 1,500 厘米的速度移動——而空穴遷移率為 500 cm 2 /V·s。特定半導(dǎo)體中的電子和空穴遷移率通常隨著溫度升高而降低。

本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性在室溫下非常差。為了產(chǎn)生更高的導(dǎo)電性，可以有意引入雜質(zhì)（通常濃度為百萬分之一的主體原子）。這就是所謂的摻雜, 一種 增加 電導(dǎo)率 的 工藝 , 盡管 有 一定 的流動性損失. 例如，如果一個硅原子被一個具有五個外部電子的原子取代，例如砷（參見圖中的 B 部分），則其中四個電子與四個相鄰的硅原子形成共價鍵。第五個電子變成傳導(dǎo)電子，捐贈給導(dǎo)帶。硅變成了一個n型半導(dǎo)體，因為添加了電子。砷原子是供體。類似地，圖中的 C 部分表明，如果用一個具有三個外層電子的原子（例如硼）代替一個硅原子，則接受一個額外的電子，在硼原子周圍形成四個共價鍵，一個帶正電的空穴是在價帶中產(chǎn)生。這產(chǎn)生了p型半導(dǎo)體，其中硼構(gòu)成受體。

在p側(cè)，空穴構(gòu)成主要載流子，因此被稱為多數(shù)載流子。p側(cè)也會存在少量熱產(chǎn)生的電子；這些被稱為少數(shù)載流子。在n另一方面，電子是多數(shù)載流子，而空穴是少數(shù)載流子。結(jié)附近是沒有自由電荷載流子的區(qū)域。該區(qū)域稱為耗盡層，表現(xiàn)為絕緣體。

p - n 結(jié)最重要的特性是它們可以整流。該圖的 A 部分顯示了典型硅 p - n結(jié)的電流-電壓特性。當(dāng)向p - n結(jié)施加正向偏壓時（即，相對于n側(cè)向p側(cè)施加正電壓，如圖的 B 部分所示），多數(shù)電荷載流子在結(jié)上移動使大電流可以流動。然而，當(dāng)施加反向偏壓時（如圖中的 C 部分），由雜質(zhì)引入的電荷載流子沿相反方向遠(yuǎn)離結(jié)點移動，只有很小的漏電流流動。隨著反向偏壓的增加，泄漏電流保持非常小，直到達(dá)到臨界電壓，此時電流突然增加。這種電流的突然增加被稱為結(jié)擊穿，如果產(chǎn)生的功率耗散被限制在安全值，通常是一種非破壞性現(xiàn)象。施加的正向電壓通常小于 1 伏，但稱為擊穿電壓的反向臨界電壓可以從小于 1 伏到數(shù)千伏不等，具體取決于結(jié)和其他器件的雜質(zhì)濃度參數(shù)。

P-N 結(jié)的應(yīng)用構(gòu)成了現(xiàn)在半導(dǎo)體的基礎(chǔ)，盡管現(xiàn)在已經(jīng)有更多的結(jié)被發(fā)明，比如 PNP或者NPN，但是依然無法動搖 PN 結(jié)在現(xiàn)在電子中的應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅