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半导体器件与工艺（半导体物理基础）哈尔滨工程大学微电子学半导体基础电阻率的结构与组分敏感性用电阻率的高低来区分导体、半导体和绝缘体是不够严密的:某些结构完整且不含杂质的半导体也会有跟绝缘体不相上下的高电阻率，而当它们含有足够浓度的某些特殊杂质时，其电阻率又会降到金属电阻率的范围，甚至比某些导电性欠佳的金属导体的电阻率还低。半导体是导电能力明显依赖于材料的内外状态的一类特殊物质。半导体基础半导体与金属中的载流子在金属中，运载电流的是自由电子（价电子）。为与被各原子束缚着的、不能导电的内层电子相区别，将此电子称为载流子。载流子在电场中的定向运动叫漂移运动。在单位电场中的漂移速度叫迁移率。在半导体中，载流子除了带负电的电子外，还有带正电的空穴。空穴的出现为所有被束缚的价电子提供运动的机会，尽管运动的实体是众多的束缚电子，空穴仅仅是一个缺少电子的空状态，但是所有束缚电子的运动却造成了空穴的运动。半导体基础半导体与金属中的载流子在电场为零的情况下，束缚电子与空穴交换位置的过程是随机发生的，因而空穴的运动轨迹是杂乱无章的。但是当电场不为零时，即便是束缚电子也会跟自由电子一样有沿电场反方向运动的趋势，因而空穴与电场方向上的邻近束缚电子交换位置的可能性最大。半导体基础半导体与金属中的载流子半导体中空穴的导电本质上还是电子的定向运动，只不过这些电子不是自由电子而是被原子核束缚着的价电子。半导体电导率表达式则本征半导体电导率表达式常用半导体的载流子迁移率也往往比金属良导体中的自由电子的迁移率高，但是其电导率却非常小，这是因为本征载流子浓度与金属中的载流子密度相比很小。)(pnpnq)(pniiqn半导体基础半导体掺杂空穴导电占优势的半导体称为P型半导体；产生空穴的杂质叫受主杂质，因为空穴的产生实际是半导体的本体原子将一个束缚价电子转移给这种杂质的结果。电子导电占优势的半导体称为N型半导体，在半导体中产生导电电子的杂质叫施主杂质。非本征半导体中虽然包含两种载流子，但其密度往往相差很大，密度高者叫多数载流子，密度低者叫少数载流子。半导体基础杂质补偿半导体中施主杂质和受主杂质的同时存在，不能像本征激发那样同时产生导电电子和空穴，只能相互抵消。人们把这种效应称为杂质补偿。杂质补偿使得大多数常用半导体可以在N、P两种导电类型之间转化。半导体基础电子在金属和半导体中的能量分布由于与核的距离不同，各个不同轨道上的电子因受原子核的静电吸引力作用而具有的势能也不相同，因而核外电子的空间关系对应于一定的能最关系，习惯上常用一组平行短线来形象地描述核外电子的能量关系。每条短线都代表一个确定的能量，称为能级。半导体基础电子在金属和半导体中的能量分布固体中的电子显然不同于孤立原子的核外电子。由于大量原子集中排列，每个电子，无论是自由电子还是束缚电子，除受到本核的吸引之外，还会受到其他原子核的库仑引力的扰动，因而能级将发生分裂。由孤立原子的一条能级分裂而成的众多能级的集合称为能带。半导体基础电子在金属和半导体中的能量分布电子将按照能量由低到高的次序逐一加以填充．一般情况下，所有内层电子的能带都是不留一个空状态的满带。在绝对零度，所有的电子都将处于基态，这时金属的电子只能填至其价电子能带的中部，上半部完全空着；而半导体和绝缘体的电子则能将其价电子带恰好填满与之相隔一个禁带的更高能带却完全空着。半导体基础电子在金属和半导体中的能量分布当温度T大于0K时，由于电子的平均动能为3kT/2，满带电子中会有一些能量偏高者越过禁带进入高能量的空带。任何一个能带能够容纳的电子数很大，而在低温和常温下能够越过一个宽度只有1eV的禁带的电子也都很少，因而这两个未满带的特征大不一样，其能量较高者接近全空，能量较低者接近全满。通常把非零温度下只有少许电子的近空带称为导带，而把只有少许空状态的近满带称为价带。半导体基础电子在金属和半导体中的能量分布施主杂质在其特征能级上有电子时为中性态，无电子时为电离态。若此能级十分靠近导带底，则小能量即可令其电离，向导带释放一个自由电子。受主杂质在其特征能级上无电子时为中性态，有电子时为电离态。若此能级十分靠近价带顶、，则微小能量即可从价带顶激发一个电子到此能级，即在价带顶产生一个空穴。若施主能级和受主能级同时存在，则由于电子倾向于优先占据低能级上的空状态，以至施主能级上的电子为受主能级俘获，既无导带底的电子产生，也无价带顶的空穴产生，这就是杂质补偿。半导体基础半导体导电的热敏性载流子密度是器件特性的决定性因素。从器件工作特性的稳定性考虑，保持载流子密度的稳定是最基本的要求。非本征材料在一定的温度范围内主要靠杂质原子提供载流子，而一个杂质原子最多只能提供一个电子或空穴。当每个杂质原子都已“尽责”之后，载流子密度即保持不变，器件即可望保持相应的稳定工作状态。因此，实际半体器件大多采用掺杂材料。非本征材料有本征激发和杂质电离两种载流子来源，其载流子的总密度为二者之和。当本征激发的如状较小时，靠杂质的完全电离保持载流子的恒定密度。当本征载流子密度随着温度的升高而接近或超过掺杂浓度时，非本征半导体即开始向本征半导体转变。