半导体物理基础知识

半导体物理基础知识1.1导体，绝缘体和半导体自然界的各种物质就其导电性能来说、可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。导体具有良好的导电特性，常温下，其内部存在着大量的自由电子，它们在外电场的作用下做定向运动形成较大的电流。因而导体的电阻率很小，只有金属一般为导体，如铜、铝、银等，它们的电阻率一般在10–4欧姆·厘米以下。绝缘体几乎不导电，如橡胶、陶瓷、塑料等。在这类材料中，几乎没有自由电子，即使受外电场作用也不会形成电流，所以，绝缘体的电阻率很大，它们的电阻率在109欧姆·厘米以上。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、硒等，它们的电阻率通常在之间。半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。如纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为，若按百万分之一的比例掺入少量杂质（如磷）后，其电阻率急剧下降为，几乎降低了一百万倍。半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。它具有如下的主要特征。（l）杂质影响半导体导电性能在室温下，半导体的电阻率在10–4～109欧姆·厘米之间。而且，加入微量杂质能显著改变半导体的导电能力。掺入的杂质量不同时，可使半导体的电阻率在很大的范围内发生变化。另外，在同一种材料中掺入不同类型的杂质，可以得到不同导电类型的材料。（2）温度影响半导体材料导电性能温度能显著改变半导体的导电性能。在一般的情况下，半导体的导电能力随温度升高而迅速增加，也就是说，半导体的电阻率具有负温度系数。而金属的电阻率具有正温度系数，且随温度的变化很慢。（3）有两种载流子参加导电在半导体中，参与导电的载流子有两种。一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载流子，称为空穴。而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。在金属中则仅靠电子导电，而在电解质中，靠正离子和负离子同时导电。（4）其它外界条件对导电性能的影响半导体的导电能力还会随光照而发生变化。例如一层淀积在绝缘基板上的硫化镉薄膜，其暗电阻约为数十兆欧，当受光照后，其电阻可下降到数十千欧。这种现象称为光电导效应。此外，半导体的导电能力还会随电场、磁场、压力和环境的作用而变化，具有其它特性和效应。物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。表1-1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的大致范围。物体电阻率导体半导体绝缘体Ω·CM10e-410e-3～10e910e91.2半导体材料的类别元素半导体元素周期表中,已经知道有十来个元素具有半导体性质，其中，形态稳定、工艺成熟的只有硅、锗、硒三种。硅具有优良的半导体性质，是现代最主要的半导体材料，已在晶体管、集成电路及其它器件中大量使用。锗也具有良好的半导体的性质，是重要的半导体材料之一。硒的半导体性质发现得很早，用于制作整流器、光电导器件等。其它元素半导体都还未获得实际应用。化合物半导体化合物半导体可分为无机化合物半导体和有机化合物半导体两种。有机化合物半导体仍处研究探索阶段，一般所说的化合物半导体指无机化合物半导体。无机化合物半导体由两种（二元系）或多种（多元系）元素组成。由III族和V族元素组成的III-V族化合物半导体GaAs是应用最广的化合物半导体，用于制作微波器件、激光器和集成电路。其它如InP、AlP、GaP、InAs、InSb等III-V族化合物半导体，ZnS、CdS、ZnSe、HgSe等II-VI族化合物半导体、IV-IV族化合物半导体材料SiC等都有一定的应用。多元系化合物半导体用途较少。固溶半导体由两个或两个以上具有足够含量的的元素构成的固体溶液，如果具有半导体性质，就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。半导体材料中提纯残留的杂质和有意掺入的杂质与本体材料也形成固溶体，但因这些杂质的含量很低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。另一方面，固溶半导体又与化合物半导体有区别，后者是靠其价键按一定化学配比构成，而固溶体组成元素的含量在其固溶度范围内可连续变化，其半导体及有关性质也随之变化。利用固溶半导体的这一特点可得到性质多样的半导体材料以满足不同的应用要求。主要的固溶体半导体有：元素固溶体Ge-Si，III-V族固溶体Ga1-xAlxAs，II-VI族固溶体HgxCd1-xTe等。1.3晶体与非晶体自然界的物质最常见的形态有气态、液态和固态。固态或称固体，又可分为晶体和非晶体。晶体和非晶体的内部结构和物理、化学性质有本质的区别。玻璃、松香和橡胶等是非晶体；锗、硅等半导体芯片材料，铜、铁、铝等金属，以及石英、食盐、金刚石等是晶体。晶体区别于非晶体的主要特征有以下方面：1晶体通常具有规则的几何形状如食盐晶体为立方体，石英晶体为六方柱体等；而玻璃、橡胶等非晶体就没有规则的外形。2晶体具有固定的熔点晶体在熔化或凝固过程中，保持确定不变的温度，这一温度称为晶体的熔点。只有当晶体全部熔化或全部凝固后，它的温度才发生变化。而非晶体则没有确定的熔点。3晶体具有各向异性性晶体的机械、电学、热学、光学等物理和化学性质随其方向不同而不同，非晶体的物理、化学性质则是各向同性的。以上特征是从外部宏观地来进行分析的，晶体与非晶体的差异由其内部结构不同所决定。晶体内部原子排列高度规则，具有一定的刚性和对称性．非晶体则是一种无定形结构。一般说，由原子或离子有规则的周期性排列构成的固体材料称为晶体。1.4多晶体和单晶体晶体有多晶体和单晶体之分。单晶体内的原子（或离子）都按同一规律周期性地排列。常用的半导体材料锗、硅、砷化镓都制成单晶体。多晶体则由许多取向不同的小单晶体（又称晶粒）组成，多晶体内的原子（或离子）呈局部周期性规则排列，不同的局部区域中原子排列的方向不同。1.5N型半导体和P型半导体掺杂半导体分为N型半导体和P型半导体两类。在锗和硅中掺入磷、砷、锑等V族元素时，这些杂质在锗和硅中起提供电子的作用，使这些半导体以电子导电为主。这类杂质叫做施主杂质。以电子导电为主的杂质半导体称为N型半导体，相应的杂质也叫做N型杂质。而在锗和硅中掺入硼、铝、镓或铟等Ⅲ族元素时，这些杂质在锗和硅中起提供空穴的作用，使这些半导体以空穴导电为主。这类杂质叫做受主杂质。以空穴导电为主的杂质半导体称为P型半导体。相应的杂质也叫做P型杂质。一般说，施主和受主杂质均为替位式杂质。它们掺入晶体后，要取代晶格中硅原子的位置。见图4-2。图4-2硅中施主杂质和受主杂质图4-2（a）中，磷原子有五个价电子，由于硅晶体中每个原子只有四个近邻原子，因此，在硅原子位置上的磷原子在同周围硅原子组成共价键结合时，只需四个电子，还多一个电子。这个多余的电子不受共价键束缚，因此容易挣脱束缚，变成导带电子。这种能释放电子的杂质称为施主杂质或N型杂质。使这个多余电子激发到导带所需的能量称为施主杂质电离能。图4-2（b）中，硼原子有三个价电子，它同周围硅原子组成共价键时，还缺一个电子，需要从附近硅原子价键中夺取一个电子补充，原子便多一个电子，成为负离子，同时，在晶体中产生一个空穴。空穴容易挣脱硼离子的束缚成为价带中的导电空穴。这种接受电子而产生空穴的杂质称为受主杂质。使空穴挣脱束缚成为价带导电空穴所需能量称作受主杂质电离能。由于杂质能级靠近导带底和价带顶，所以电离能远小于禁带宽度。室温下几乎所有杂质都是电离的，而本征激发要难得多。通常情况下，杂质半导体载流子浓度比本征半导体载流子浓度高得多，导电能力因此也强得多。1.6多数载流子与少数载流子在杂质半导体中，电子与空穴的浓度不再相等。在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子；P型半导体则相反，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。多数载流子简称多子，是杂质激发载流子与本征激发载流子之和。少数载流子简称少子，只由本征激发产生。在室温下，杂质全部电离，每个杂质均提供一个载流子。一般情况下，由于掺杂浓度远大于本征载流子浓度，所以多子浓度远大于少子浓度。1.7杂质补偿本征半导体中掺入N型杂质就成为N型半导体，掺入P型杂质就成为P型半导体。在实际的半导体中，如果同时存在受主杂质和施主杂质，受主杂质所产生的空穴通过复合与施主杂质所提供的电子相抵消，将使总的载流子数减少，这种现象称为杂质补偿。决定补偿后半导体导电类型和载流子浓度的是两种杂质补偿后的净浓度，即（ND－NA）或（NA－ND）。其中ND为施主杂质浓度，NA为受主杂质浓度。当ND＞NA时，半导体呈N型；反之，当NA＞ND时，半导体呈P型。若ND≈NA，施主杂质产生的电子与受主杂质产生的空穴刚好全部复合而抵消。这时，不管半导体中杂质有很多，载流子却很少，基本上只有本征激发产生。这种情况称为高度补偿。利用杂质补偿可以任意改变半导体的导电类型。但补偿度过大对材料和器件的电学性能会产生不良影响。1.8电阻率电阻率是常用的半导体材料参数，它反映了半导体内杂质浓度的高低和半导体材料导电能力的强弱。对纯半导体材料，电阻率主要由本征载流子浓度决定。本征载流子浓度随温度的上升而急剧增加，而迁移率变化的影响只是次要的因素。本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降。对杂质半导体，有杂质电离和本征激发两个因素存在，又有电离杂质散射和晶格散射两种散射机构存在，因而电阻率随温度的变化关系要复杂些。图4-3表示一定杂质浓度的半导体硅材料的电阻率和温度的关系。图4-3硅电阻率与温度关系示意图从上图可以看出，一定杂质浓度的硅材料的电阻率和温度的关系曲线大致可分为三段。在曲线的AB段，本征激发可忽略，载流子主要由杂质电离提供，它随温度升高而增加；散射主要由电离杂质决定，迁移率也随温度升高而增大。所以，电阻率随温度升高而下降。BC段为包括室温在内的一段温度范围，杂质全部电离，本征激发还不显著，载流子基本上不随温度变化；在这段温度范围，晶格散射为主要的散射机构，迁移率随温度升高而降低。所以，电阻率随温度升高而增大。当温度继续升高到曲线的CD段时，本征激发很快增加，大量产生的本征载流子的作用远远超过迁移率减小对电阻率的影响，表现出与本征半导体相似的特性。显然，杂质浓度越高，进入本征导电占优势的温度也越高。1.9结晶结晶的概念溶液中的溶质在一定条件下，因分子有规则的排列而结合成晶体，晶体的化学成分均一，具有各种对称的晶体，其特征为离子和分子在空间晶格的结点上呈规则的排列固体有结晶和无定形两种状态结晶析出速度慢，溶质分子有足够时间进行排列，粒子排列有规则无定形固体析出速度快，粒子排列无规则结晶操作的特点只有同类分子或离子才能排列成晶体，因此结晶过程有良好的选择性。通过结晶，溶液中大部分的杂质会留在母液中，再通过过滤、洗涤，可以得到纯度较高的晶体。结晶过程具有成本低、设备简单、操作方便，广泛应用于氨基酸、有机酸、抗生素、维生素、核酸等产品的精制。结晶过程分析——几个概念饱和溶液：当溶液中溶质浓度等于该溶质在同等条件下的饱和溶解度时，该溶液称为饱和溶液；过饱和溶液：溶质浓度超过饱和溶解度时，该溶液称之为过饱和溶液；溶质只有在过饱和溶液中才能析出；凯尔文（Kelvin）公式溶质溶解度与温度、溶质分散度（晶体大小）有关。C2---小晶体的溶解度；C1---普通晶体的溶解度σ---晶体与溶液间的表面张力；ρ---晶体密度γ2---小晶体的半径；γ1---普通晶体半径R---气体常数；T---绝对温度结晶过程的实质)11(2ln1212rrRTMcc结晶是指溶质自动从过饱和溶液中析出，形成新相的过程这一过程包括：溶质分子凝聚成固体分子有规律地排列在一定晶格中这一过程与表面分子化学键力变化有关；因此，结晶过程是一个表面化学反应过程。晶体的形成形成新相（固体）需要一定的表面自由能。因此，溶液浓度达到饱和溶解度时，晶体尚不能析出，只有当溶质浓度超过饱和溶解度后，才可能有晶体析出。首先形成晶核，由Kelvin公式，微小的晶核具有较大的溶解度。实质上，在饱和溶液中，晶核是处于一种形成—溶解—再形成的动态平衡之中，只有达到一定的过饱和度以后，晶核才能够稳定存在。结晶的步骤过饱和溶液的形成晶核的形成晶体生长其中，溶液达到过饱