固體物理學(xué)論文

1、半導(dǎo)體材料的綜述摘要：電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負(fù)的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體：室溫時(shí)電阻率約在1m·cm1G·cm之間。溫度升高時(shí)電阻率則減小。半導(dǎo)體材料很多，按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類(lèi)。鍺和硅是最常用的元素半導(dǎo)體；化合物半導(dǎo)體包括第和第族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、第和第族化合物( 硫化鎘、硫化鋅等)、氧化物(錳、鉻、鐵、銅的氧化物),以及由-族化合物和-族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。除上述晶態(tài)半導(dǎo)體外，還有非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體等。半導(dǎo)體還可分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體的發(fā)展；半導(dǎo)體的特性；半導(dǎo)體雜質(zhì)；能帶結(jié)

2、構(gòu) 引言：半導(dǎo)體早在十九世紀(jì)就最先被英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，他發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的電阻隨著溫度的變化并不同其他一般的金屬，半導(dǎo)體的電阻與金屬相反它隨著溫度的升高而減小，隨后法國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸現(xiàn)成的結(jié)，在光照下出現(xiàn)了伏特效應(yīng)，在不到三十年后德國(guó)科學(xué)家有發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體第三個(gè)特性即，半導(dǎo)體的整流效應(yīng)。正文：1.1半導(dǎo)體的發(fā)展半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上可以追溯到很久以前，1833年，英國(guó)巴拉迪最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。不久，1839年法國(guó)的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接

3、觸形成的結(jié)，在光照下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來(lái)人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特征。1873年，英國(guó)的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體又一個(gè)特有的性質(zhì)。半導(dǎo)體的這四個(gè)效應(yīng)，(霍爾效應(yīng)的余績(jī)四個(gè)伴生效應(yīng)的發(fā)現(xiàn))雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性一直到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。在1874年，德國(guó)的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過(guò)來(lái)，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，

4、也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。1.2半導(dǎo)體五大特性半導(dǎo)體的特性：伏安特性曲線摻雜性，熱敏性，光敏性，負(fù)電阻率溫度特性，整流特性。在形成晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體中，人為地?fù)饺胩囟ǖ碾s質(zhì)元素，導(dǎo)電性能具有可控性。在光照和熱輻射條件下，其導(dǎo)電性有明顯的變化。晶格：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點(diǎn)陣，稱為晶格。共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)：相鄰的兩個(gè)原子的一對(duì)最外層電子（即價(jià)電子）不但各自圍繞自身所屬的原子核運(yùn)動(dòng)，而且出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上，成為共用電子，構(gòu)成共價(jià)鍵。自由電子的形成：在常溫下，少數(shù)的價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)獲得足夠的能量，掙脫共價(jià)鍵的束縛變成為自由電子?？昭ǎ簝r(jià)電子掙脫共

5、價(jià)鍵的束縛變成為自由電子而留下一個(gè)空位置稱空穴。電子電流：在外加電場(chǎng)的作用下，自由電子產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電子電流。空穴電流：價(jià)電子按一定的方向依次填補(bǔ)空穴（即空穴也產(chǎn)生定向移動(dòng)），形成空穴電流。本征半導(dǎo)體的電流：電子電流+空穴電流。自由電子和空穴所帶電荷極性不同，它們運(yùn)動(dòng)方向相反。載流子：運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。導(dǎo)體電的特點(diǎn)：導(dǎo)體導(dǎo)電只有一種載流子，即自由電子導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體電的特點(diǎn)：本征半導(dǎo)體有兩種載流子，即自由電子和空穴均參與導(dǎo)電。本征激發(fā)：半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。復(fù)合：自由電子在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中如果與空穴相遇就會(huì)填補(bǔ)空穴，使兩者同時(shí)消失，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。動(dòng)態(tài)

6、平衡：在一定的溫度下，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子與空穴對(duì)，與復(fù)合的自由電子與空穴對(duì)數(shù)目相等，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。載流子的濃度與溫度的關(guān)系：溫度一定，本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵束縛的自由電子增多，空穴也隨之增多（即載流子的濃度升高），導(dǎo)電性能增強(qiáng)；當(dāng)溫度降低，則載流子的濃度降低，導(dǎo)電性能變差。結(jié)論：本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)。半導(dǎo)體材料性能對(duì)溫度的敏感性，可制作熱敏和光敏器件，又造成半導(dǎo)體器件溫度穩(wěn)定性差的原因。雜質(zhì)半導(dǎo)體：通過(guò)擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入三

7、價(jià)元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子：P型半導(dǎo)體中，空穴的濃度大于自由電子的濃度，稱為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子。少數(shù)載流子：P型半導(dǎo)體中，自由電子為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。受主原子：雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，稱受主原子。P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：它是靠空穴導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)越多，多子（空穴）的濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。N型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，形成N型半導(dǎo)體。多子：N型半導(dǎo)體中，多子為自由電子。少子：N型半導(dǎo)體中，少子為空穴。施子原子：雜質(zhì)原子可以提供電子，稱施子原子。N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：摻入的雜質(zhì)越多，多子的

8、濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強(qiáng) 。在它們的交界面就形成PN結(jié)。PN結(jié)的形成過(guò)程：如圖所示，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在無(wú)外電場(chǎng)和其它激發(fā)作用下，參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的多子數(shù)目等于參與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)目，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成PN結(jié)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)?？臻g電荷區(qū)：擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子與空穴復(fù)合，而擴(kuò)散到N區(qū)的空穴與自由電子復(fù)合，所以在交界面附近多子的濃度下降，P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，它們是不能移動(dòng)，稱為空間電荷區(qū) 。 1.3半導(dǎo)體摻雜哪種材料適合作為某種半導(dǎo)體材料的摻雜物需視兩者的原子特性而定。一般而言，

9、摻雜物依照其帶給被摻雜材料的電荷正負(fù)被區(qū)分為施主與受主。施主原子帶來(lái)的價(jià)電子大多會(huì)與被摻雜的材料原子產(chǎn)生共價(jià)鍵，進(jìn)而被束縛。而沒(méi)有和被摻雜材料原子產(chǎn)生共價(jià)鍵的電子則會(huì)被施主原子微弱地束縛住，這個(gè)電子又稱為施主電子。和本質(zhì)半導(dǎo)體的價(jià)電子比起來(lái)，施主電子躍遷至傳導(dǎo)帶所需的能量較低，比較容易在半導(dǎo)體材料的晶格中移動(dòng)，產(chǎn)生電流。雖然施主電子獲得能量會(huì)躍遷至傳導(dǎo)帶，但并不會(huì)和本質(zhì)半導(dǎo)體一樣留下一個(gè)電洞，施主原子在失去了電子后只會(huì)固定在半導(dǎo)體材料的晶格中。因此這種因?yàn)閾诫s而獲得多余電子提供傳導(dǎo)的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體，n代表帶負(fù)電荷的電子。和施主相對(duì)的，受主原子進(jìn)入半導(dǎo)體晶格后，因?yàn)槠鋬r(jià)電子數(shù)目比半導(dǎo)體原子

10、的價(jià)電子數(shù)量少，等效上會(huì)帶來(lái)一個(gè)的空位，這個(gè)多出的空位即可視為電洞。受主摻雜后的半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體，p代表帶正電荷的電洞。以一個(gè)硅的本質(zhì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)明摻雜的影響。硅有四個(gè)價(jià)電子，常用于硅的摻雜物有三價(jià)與五價(jià)的元素。當(dāng)只有三個(gè)價(jià)電子的三價(jià)元素如硼摻雜至硅半導(dǎo)體中時(shí)，硼扮演的即是受主的角色，摻雜了硼的硅半導(dǎo)體就是p型半導(dǎo)體。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果五價(jià)元素如磷摻雜至硅半導(dǎo)體時(shí)，磷扮演施主的角色，摻雜磷的硅半導(dǎo)體成為n型半導(dǎo)體。一個(gè)半導(dǎo)體材料有可能先后摻雜施主與受主，而如何決定此外質(zhì)半導(dǎo)體為n型或p型必須視摻雜后的半導(dǎo)體中，受主帶來(lái)的電洞濃度較高或是施主帶來(lái)的電子濃度較高，亦即何者為此外質(zhì)半導(dǎo)體的“多數(shù)載子”

11、。和多數(shù)載子相對(duì)的是少數(shù)載子。對(duì)于半導(dǎo)體元件的操作原理分析而言，少數(shù)載子在半導(dǎo)體中的行為有著非常重要的地位。摻雜物濃度對(duì)于半導(dǎo)體最直接的影響在于其載子濃度。在熱平衡的狀態(tài)下，一個(gè)未經(jīng)摻雜的本質(zhì)半導(dǎo)體，電子與電洞的濃度相等，通常摻雜濃度越高，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性就會(huì)變得越好，原因是能進(jìn)入傳導(dǎo)帶的電子數(shù)量會(huì)隨著摻雜濃度提高而增加。摻雜濃度非常高的半導(dǎo)體會(huì)因?yàn)閷?dǎo)電性接近金屬而被廣泛應(yīng)用在今日的集成電路制程來(lái)取代部份金屬。高摻雜濃度通常會(huì)在n或是p后面附加一上標(biāo)的“+”號(hào)，例如n代表?yè)诫s濃度非常高的n型半導(dǎo)體，反之例如p則代表輕摻雜的p型半導(dǎo)體。需要特別說(shuō)明的是即使摻雜濃度已經(jīng)高到讓半導(dǎo)體為導(dǎo)體，摻雜物的濃

12、度和原本的半導(dǎo)體原子濃度比起來(lái)還是差距非常大。以一個(gè)有晶格結(jié)構(gòu)的硅本質(zhì)半導(dǎo)體而言，原子濃度大約是5×10 cm，而一般集成電路制程里的摻雜濃度約在10 cm至10 cm之間。摻雜濃度在10 cm以上的半導(dǎo)體在室溫下通常就會(huì)被視為是一個(gè)“簡(jiǎn)并半導(dǎo)體”。重?fù)诫s的半導(dǎo)體中，摻雜物和半導(dǎo)體原子的濃度比約是千分之一，而輕摻雜則可能會(huì)到十億分之一的比例。在半導(dǎo)體制程中，摻雜濃度都會(huì)依照所制造出元件的需求量身打造，以合于使用者的需求。摻雜之后的半導(dǎo)體能帶會(huì)有所改變。依照摻雜物的不同，本質(zhì)半導(dǎo)體的能隙之間會(huì)出現(xiàn)不同的能階。施主原子會(huì)在靠近傳導(dǎo)帶的地方產(chǎn)生一個(gè)新的能階，而受主原子則是在靠近價(jià)帶的地方產(chǎn)

13、生新的能階。假設(shè)摻雜硼原子進(jìn)入硅，則因?yàn)榕鸬哪茈A到硅的價(jià)帶之間僅有0.045電子伏特，遠(yuǎn)小于硅本身的能隙1.12電子伏特，所以在室溫下就可以使摻雜到硅里的硼原子完全解離化。摻雜物對(duì)于能帶結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重大影響是改變了費(fèi)米能階的位置。1.4能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中的電子所具有的能量被限制在基態(tài)與自由電子之間的幾個(gè)“能帶”里，在能帶內(nèi)部電子能量處于準(zhǔn)連續(xù)狀態(tài)，而能帶之間則有帶隙相隔開(kāi)，電子不能處于帶隙內(nèi)。當(dāng)電子在基態(tài)時(shí)，相當(dāng)于此電子被束縛在原子核附近；而相反地，如果電子具備了自由電子所需要的能量，那么就能完全離開(kāi)此材料。每個(gè)能帶都有數(shù)個(gè)相對(duì)應(yīng)的量子態(tài)，而這些量子態(tài)中，能量較低的都已經(jīng)被電子所填滿。這些已經(jīng)被

14、電子填滿的量子態(tài)中，能量最高的就被稱為價(jià)電帶。半導(dǎo)體和絕緣體在正常情況下，幾乎所有電子都在價(jià)電帶或是其下的量子態(tài)里，因此沒(méi)有自由電子可供導(dǎo)電。半導(dǎo)體和絕緣體之間的差異在于兩者之間能帶間隙寬度不同，亦即電子欲從價(jià)帶跳入導(dǎo)電帶時(shí)所必須獲得的最低能量不一樣。通常能帶間隙寬度小于3電子伏特者為半導(dǎo)體，以上為絕緣體。在絕對(duì)零度時(shí)，固體材料中的所有電子都在價(jià)帶中，而導(dǎo)電帶為完全空置。當(dāng)溫度開(kāi)始上升，高于絕對(duì)零度時(shí)，有些電子可能會(huì)獲得能量而進(jìn)入導(dǎo)電帶中。導(dǎo)電帶是所有能夠讓電子在獲得外加電場(chǎng)的能量后，移動(dòng)穿過(guò)晶體、形成電流的最低能帶，所以導(dǎo)電帶的位置就緊鄰價(jià)電帶之上，而導(dǎo)電帶和價(jià)電帶之間的差距即是能帶間隙。通

15、常對(duì)半導(dǎo)體而言，能帶間隙的大小約為1電子伏特上下。在導(dǎo)電帶中，和電流形成相關(guān)的電子通常稱為自由電子。根據(jù)包利不相容原理，同一個(gè)量子態(tài)內(nèi)不能有兩個(gè)電子，所以絕對(duì)零度時(shí)，費(fèi)米能級(jí)以下的能帶包括價(jià)電帶全部被填滿。由于在填滿的能帶內(nèi)，具有相反方向動(dòng)量的電子數(shù)目相等，所以宏觀上不能載流。在有限溫度，由熱激發(fā)產(chǎn)生的導(dǎo)電帶電子和價(jià)電帶空穴使得導(dǎo)電帶和價(jià)電帶都未被填滿，因而在外電場(chǎng)下可以觀測(cè)到宏觀凈電流。在價(jià)電帶內(nèi)的電子獲得能量后便可躍升到導(dǎo)電帶，而這便會(huì)在價(jià)帶內(nèi)留下一個(gè)空缺，也就是所謂的“空穴”。導(dǎo)電帶中的電子和價(jià)電帶中的空穴都對(duì)電流傳遞有貢獻(xiàn)，空穴本身不會(huì)移動(dòng)，但是其它電子可以移動(dòng)到這個(gè)空穴上面，等效于空穴本身往反方向移動(dòng)。固體材料內(nèi)的電子能量分布遵循費(fèi)米-狄拉克分布。在絕對(duì)零度時(shí)，材料內(nèi)電子的最高能量即為費(fèi)米能階，當(dāng)溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，費(fèi)米能階為所有能階中，被電子占據(jù)概率等于0.5的能階。半導(dǎo)體材料內(nèi)電子能量分布為溫度的函數(shù)也使其導(dǎo)電特性受到溫度很大的影響，當(dāng)溫度很低時(shí)，可以跳到導(dǎo)電帶的電子較少，因此導(dǎo)電性也會(huì)變得較差。結(jié)束語(yǔ)：無(wú)論