半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（詳細(xì)篇）

2.1.1 概念

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。

1. 導(dǎo)體：容易導(dǎo)電的物體。如：鐵、銅等

2. 絕緣體：幾乎不導(dǎo)電的物體。如：橡膠等

3. 半導(dǎo)體：半導(dǎo)體是導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的物體。在一定條件下可導(dǎo)電。 半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109 Ω·cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。

半導(dǎo)體特點(diǎn)：

1) 在外界能源的作用下，導(dǎo)電性能顯著變化。光敏元件、熱敏元件屬于此類。

2) 在純凈半導(dǎo)體內(nèi)摻入雜質(zhì)，導(dǎo)電性能顯著增加。二極管、三極管屬于此類。

2.1.2 本征半導(dǎo)體

1.本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。電子技術(shù)中用的最多的是硅和鍺。

硅和鍺都是4價(jià)元素，它們的外層電子都是4個(gè)。其簡化原子結(jié)構(gòu)模型如下圖：

外層電子受原子核的束縛力最小，成為價(jià)電子。物質(zhì)的性質(zhì)是由價(jià)電子決定的 。

外層電子受原子核的束縛力最小，成為價(jià)電子。物質(zhì)的性質(zhì)是由價(jià)電子決定的 。

2.本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

本征晶體中各原子之間靠得很近，使原分屬于各原子的四個(gè)價(jià)電子同時(shí)受到相鄰原子的吸引，分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。如下圖所示：

硅晶體的空間排列與共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖

3.共價(jià)鍵

共價(jià)鍵上的兩個(gè)電子是由相鄰原子各用一個(gè)電子組成的，這兩個(gè)電子被成為束縛電子。束縛電子同時(shí)受兩個(gè)原子的約束，如果沒有足夠的能量，不易脫離軌道。因此，在絕對(duì)溫度T=0°K（-273°C）時(shí)，由于共價(jià)鍵中的電子被束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有自由電子，不導(dǎo)電。只有在激發(fā)下，本征半導(dǎo)體才能導(dǎo)電

4.電子與空穴

當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0°K時(shí)，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。

自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴。

電子與空穴的復(fù)合

可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如圖所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

空穴的移動(dòng)

由于共價(jià)鍵中出現(xiàn)了空穴，在外加能源的激發(fā)下，鄰近的價(jià)電子有可能掙脫束縛補(bǔ)到這個(gè)空位上，而這個(gè)電子原來的位置又出現(xiàn)了空穴，其它電子又有可能轉(zhuǎn)移到該位置上。這樣一來在共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了電荷遷移—電流。

電流的方向與電子移動(dòng)的方向相反，與空穴移動(dòng)的方向相同。本征半導(dǎo)體中，產(chǎn)生電流的根本原因是由于共價(jià)鍵中出現(xiàn)了空穴。由于空穴數(shù)量有限，所以其電阻率很大

空穴在晶體中的移動(dòng)（動(dòng)畫）

2.1.3 雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

1. N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成 N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。k在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；另外，硅晶體由于熱激發(fā)會(huì)產(chǎn)生少量的電子空穴對(duì)，所以空穴是少數(shù)載流子。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；另外，硅晶體由于熱激發(fā)會(huì)產(chǎn)生少量的電子空穴對(duì)，所以空穴是少數(shù)載流子。

N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。

所以，N型導(dǎo)體中的導(dǎo)電離子有兩種：自由電子——多數(shù)載流子（由兩部分組成）；

空穴——少數(shù)載流子

2. P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。

因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。當(dāng)相鄰共價(jià)鍵上的電子因受激發(fā)獲得能量時(shí)，就可能填補(bǔ)這個(gè)空穴，而產(chǎn)生新的空穴�？昭ㄊ瞧渲饕�載流子。

P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

在P型半導(dǎo)體中，硼原子很容易由于俘獲一個(gè)電子而成為一個(gè)帶單位負(fù)電荷的負(fù)離子，三價(jià)雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。 而硅原子的共價(jià)鍵由于失去一個(gè)電子而形成空穴。所以P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。

P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

3. 雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

摻入雜 質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

1.T=300 K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.4×1010/cmз

2.本征硅的原子濃度: 4.96×1022/cmз

3.摻雜后 N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: n=5×1016/cmз

以上三個(gè)濃度基本上依次相差1000000/cmз 。