半導體物理基礎知識

半導體物理基礎知識1.1導體，絕緣體和半導體 物體的導電能力，一般用材料電阻率的大小來衡量。電阻率越大，說明這種材料的導電能力越弱。表1-1給出以電阻率來區(qū)分導體，絕緣體和半導體的大致范圍。

圖1.2-1第三層4個電子第二層8個電子第一層2個電子Si+14P+15B最外層5個電子最外層3個電子siPB原子最外層的電子稱為價電子，有幾個價電子就稱它為幾族元素。若原子失去一個電子，稱這個原子為正離子，若原子得到一個電子，則成為一個帶負電的負離子。原子變成離子的過程稱為電離。固體可分為晶體和非晶體兩大類。原子無規(guī)則排列所組成的物質為非晶體。而晶體則是由原子規(guī)則排列所組成的物質。晶體有確定的熔點，而非晶體沒有確定熔點，加熱時在某一溫度范圍內逐漸軟化。在整個晶體內，原子都是周期性的規(guī)則排列，稱之為單晶。由許多取向不同的單晶顆粒雜亂地排列在一起的固體稱為多晶。硅晶體的特點是原子之間靠共有電子對連接在一起。硅原子的4個價電子和它相鄰的4個原子組成4對共有電子對。這種共有電子對就稱為“共價鍵”。如圖1.2-2所示。晶體對稱的，有規(guī)則的排列叫做晶體格子，簡稱晶格，最小的晶格叫晶胞。圖1.2-3表示一些重要的晶胞。

(a)簡單立方（Po）(b)體心立方（Na、W）(c)面心立方（Al、Au）圖1.2-3正四面實體結構圖1.2-4金鋼石結構金剛石結構是一種復式格子，它是兩個面心立方晶格沿對角線方向上移1/4互相套構而成（見圖1.2-4）。為了簡便明了，以后分析問題時只要采用圖1.2-2所示的平面結構示意圖即可。晶體中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上，這些平面就稱為晶面。每個晶面的垂直方向稱為晶向。圖1.2-5是幾種常用到的晶面和晶向。(100晶面)(110晶面)(111晶面)1.2.7原子密排面和解理面：在晶體的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若將原子看成是一些硬的球體，它們在一個平面上最密集的排列方式將如圖1.2-6所示，按照這樣方式排列的晶面就稱為原子密排面。

圖1.2-6比較簡單的一種包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。而金剛石晶格又是兩個面心立方晶格套在一起，相互之間。沿著晶胞體對角線方向平移1/4而構成的。我們來看面心立方晶格中的原子密排面。按照硬球模型可以區(qū)分在(100)(110)(111)幾個晶面上原子排列的情況，如圖1.2-7所示。金鋼石晶格是由面心晶格構成，所以它的(111)晶面也是原子密排面，它的特點是，在晶面內原子密集、結合力強，在晶面之間距離較大，結合薄弱，由此產(chǎn)生以下性質：(a)由于(111)密排面本身結合牢固而相互間結合脆弱，在外力作用下，晶體很容易沿著(111)晶面劈裂，晶體中這種易劈裂的晶面稱為晶體的解理面。(b)由于(111)密排面結合牢固，化學腐蝕就比較困難和緩慢，而(100)面原子排列密度比(111)面低。所以(100)面比(111)面的腐蝕速度快，選擇合適的腐蝕液和腐蝕溫度，(100)面腐蝕速度比(111)面大的多，因此，用(100)面硅片采用這種各向異性腐蝕的結果，可以使硅片表面產(chǎn)生許多密布表面為(111)面的四面方錐體，形成絨面狀的硅表面。(100)(110)(111)圖1.2-7在原子中內層電子受原子核束縛較緊，相應的能量較小，外層電子（價電子）能量較大。圖1.3-1表示所謂能級圖。E5E4E3(8)E2(8)E1(2)圖1.3-1晶體由大量原子組成，一個原子的電子不僅受到這個原子的作用。還將受到相鄰原子的作用。相鄰原子上的電子軌道將發(fā)生一定程度的相互交迭，通過軌道的交迭，電子可以從一個原子轉移到相鄰的原子上去。這時電子已不屬于個別原子而成為整個晶體所共有，這種電子運動稱為“共有化”。電子在原子之間的轉移不是任意的，電子只能在能量相同的軌道之間發(fā)生轉移。圖1.3-2表示出這種共有化軌道的能級圖。能帶禁帶能帶禁帶能帶從圖中可見，晶體中電子軌道的能級分成由低到高的許多組。分別和各原子能級相對應，每一組都包含著大量的能量很接近的能級。這樣一組密集的能級看上去象一條帶子，所以被稱之為能帶。能帶之間的間隙叫做禁帶。未被電子填滿的能帶稱為導帶，已被電子填滿的能帶稱為滿帶。導體、半導體，絕緣體導電性質的差異可以用它們的能帶圖的不同來加以說明。(圖1.3-3)絕緣體半導體導體EcEvE9E9導帶禁帶價帶半導體之所以得到廣泛的應用，是因為它存在著一些導體和絕緣體所沒有的獨特性能。導體，絕緣體的電阻率隨溫度變化很小，（導體溫度每升高一度，電組率大約升高0.4%）。而半導體則不一樣，溫度每升高或降低1度，其電阻就變化百分之幾，甚至幾十，當溫度變化幾十度時，電阻變化幾十，幾萬倍，而溫度為絕對零度（-273℃）時，則成為絕緣體。當光線照射到某些半導體上時，它們的導電能力就會變得很強，沒有光線時，它的導電能力又會變得很弱。在純凈的半導體材料中，適當摻入微量雜質，導電能力會有上百萬的增加。這是最特殊的獨特性能。溫差電效應，霍爾效應，發(fā)光效應，光伏效應，激光性能等。半導體有如此之多的獨特性能，是建立在半導體材料本身純度很高的基礎上的。半導體的純度常用幾個“9”來表示。比如硅材料的純度達到6個“9”，就是說硅的純度達到99.9999%，其余0.0001%（即10-6）為雜質總含量。半導體材料中的雜質含量，通常還以“”與“”來表示。一個就是十億分之一（10-9）一個“”就是百萬分之一（10-6），幾種純度表示法的相互關系如表1.2所列。1.6.1半導體中的“電子”和“空穴”，本征半導體純凈的半導體，在不受外界作用時，導電能力很差。而在一定的溫度或光照等作用下，晶體中的價電子有一部分可能會沖破共價鍵的束縛而成為一個自由電子。同時形成一個電子空位，稱之為“空穴”。從能帶圖上看，就是電子離開了價帶躍遷到導帶，從而在價帶中留下了空穴，產(chǎn)生了一對電子和空穴。如圖1.6-1所示。通常將這種只含有“電子空穴對”的半導體稱為本征半導體?！氨菊鳌敝钢簧婕鞍雽w本身的特性。半導體就是靠著電子和空穴的移動來導電的，因此，電子和空穴被統(tǒng)稱為載流子。Eg導帶(禁帶寬)價帶由于熱或光激發(fā)而成對地產(chǎn)生電子空穴對，這種過程稱為“產(chǎn)生”。空穴是共價鍵上的空位，自由電子在運動中與空穴相遇時，自由電子就可能回到價鍵的空位上來，而同時消失了一對電子和空穴，這就是“復合”。在一定溫度下，又沒有光照射等外界影響時，產(chǎn)生和復合的載流子數(shù)相等，半導體中將在產(chǎn)生和復合的基礎上形成熱平衡。此時，電子和空穴的濃度保持穩(wěn)定不變，但是產(chǎn)生和復合仍在持續(xù)的發(fā)生。純凈的半導體材料中若含有其它元素的原子，那么，這些其它元素的原子就稱為半導體材料中的雜質原子。對硅的導電性能有決定影響的主要是三族和五族元素原子。還有些雜質如金，銅，鎳，錳，鐵等，在硅中起著復合中心的作用，影響壽命，產(chǎn)生缺陷，有著許多有害的作用。1.6.3.1N型半導體磷（P)，銻（)等五族元素原子的最外層有五個電子，它在硅中是處于替位式狀態(tài)，占據(jù)了一個原來應是硅原子所處的晶格位置，如圖1.6-2。磷原子最外層五個電子中只有四個參加共價鍵，另一個不在價鍵上，成為自由電子，失去電子的磷原子是一個帶正電的正離子，沒有產(chǎn)生相應的空穴。正離子處于晶格位置上，不能自由運動，它不是載流子。因此，摻入磷的半導體起導電作用的，主要是磷所提供的自由電子，這種依靠電子導電的半導體稱為電子型半導體，簡稱N型半導體。圖1.6-3表示N型半導體材料的能帶圖。而為半導體材料提供一個自由電子的v族雜質原子，通常稱為施主雜質。多余電子圖1.6-2施主能級導帶電離能價帶1.6.3.2P型半導體硼（B）鋁（）鎵（）等三族元素原子的最外層有三個電子，它在硅中也是處于替位式狀態(tài)，如圖1.6-4所示。硼原子最外層只有三個電子參加共價鍵，在另一個價鍵上因缺少一個電子而形成一個空位鄰近價鍵上的價電子跑來填補這個空位，就在這個鄰近價鍵上形成了一個新的空位，這就是“空穴”。硼原子在接受了鄰近價鍵的價電子而成為一個帶負電的負離子，它不能移動，不是載流子。因此在產(chǎn)生空穴的同時沒有產(chǎn)生相應的自由電子。這種依靠空穴導電的半導體稱為空穴型半導體，簡稱P型半導體。圖1.6-5表示P型半導體材料的能帶圖，為半導體材料提供一個空穴的Ⅲ族雜質原子，通常稱之為受主雜質?？真I接受電子空穴導帶電離能價帶受主能級實際，一塊半導體中并非僅僅只存在一種類型的雜質，常常同時含有施主和受主雜質，此時，施主雜質所提供的電子會通過“復合”而與受主雜質所提供的電子相抵消，使總的載流子數(shù)目減少，這種現(xiàn)象就成為“補償”。在有補償?shù)那闆r下，決定導電能力的是施主和受主濃度之差。若施主和受主雜質濃度近似相等時，通過復合會幾乎完全補償，這時半導體中的載流子濃度基本上等于由本征激發(fā)作用而產(chǎn)生的自由電子和空穴的濃度。這種情況的半導體稱之為補償型本征半導體。在半導體器件產(chǎn)生過程中，實際上就是依據(jù)補償作用，通過摻雜而獲得我們所需要的導電類型來組成所要生產(chǎn)的器件。在摻有雜質的半導體中，新產(chǎn)生的載流子數(shù)量遠遠超過原來未摻入雜質前載流子的數(shù)量，半導體的導電性質主要由占大多數(shù)的新產(chǎn)生的載流子來決定，所以，在P型半導體中，空穴是多數(shù)載流子，而電子是少數(shù)載流子。在N型半導體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。摻入的雜質越多，多載流子的濃度（單位體積內載流子的數(shù)目）越大，則半導體的電阻率越低，它的導電能力越強。一塊半導體材料處于某一均勻的溫度中，且不受光照等外界因素的作用，即這塊半導體處于平衡狀態(tài)，此時半導體中的載流子稱為平衡態(tài)載流子。半導體一旦受到外界因素作用（如光照，電流注入或其它能量傳遞形式）時，它內部載流子濃度就多于平衡狀態(tài)下的載流子濃度。半導體就從平衡狀態(tài)變?yōu)榉瞧胶鉅顟B(tài)，人們把處于非平衡狀態(tài)時，比平衡狀態(tài)載流子增加出來的一部分載流子成為非平衡載流子。1.10非平衡載流子的復合及其壽命當引起非平衡載流子產(chǎn)生的外界因素停止后，非平衡載流子不會永久地存在下去。但也不是一下全部都消失掉，而是隨著時間逐漸減少消失的，他們的存在時間有些長些，有些短些，有一個平均的存在時間，這就是我們所說的“非平衡載流子的壽命”。半導體內部和表面的復合作用是使得非平衡載流子逐漸減少直至消失的原因。非平衡載流子也就是由于外界因素引起產(chǎn)生的電子—空穴對復合的主要方式有三種：直接復合，間接復合和表面復合。1.10非平衡載流子的復合及其壽命1.10.1直接復合電子和空穴在半導體內部直接相遇放出光子或引起熱運動而復合，復合的過程在是電子直接在能帶間躍進，中間無須經(jīng)過任何間接過程，這種復合稱為直接復合。一般的雜質半導體壽命是和多數(shù)載流子的密度成反比的，或者說半導體的電阻率越低，則壽命越短。電阻率越低，多數(shù)載流子濃度越高，這種非平衡載流子就越有機會與多數(shù)載流子相遇復合，所以壽命就越短。1.10非平衡載流子的復合及其壽命1.10.2間接復合某些雜質元素即使是很少量地存在于半導體材料中便對材料的壽命數(shù)值有決定性的影響，晶體中的缺陷也有類似的作用，這說明晶體中的雜質原子和缺陷有促進非平衡載流子的復合作用。這種復合與直接復合不同，它是通過禁帶中某些雜質（缺陷）能級做為“跳板”來完成的?？拷麕е械碾s質（缺陷）能級俘獲導帶中的電子與滿帶中的空穴在其上面間接進行復合的稱之為間接復合，那些起復合作用的雜質（缺陷）能級被稱為復合中心。復合中心是不斷地起著復合作用，而不是起了一次復合作用就停止了。通過復合中心的間接復合過程比直接復合過程強得多。這是因為間接復合過程每次所要放出的能量比直接復合的要少，相當于分階段放出能量，所以容易得多。因而間接復合過程大多情況下決定著半導體材料得壽命值。1.10非平衡載流子的復合及其壽命圖1.10-2直接復合和間接復合都是在半導體內部完成得，所以也稱為“體內復合”。1.10非平衡載流子的復合及其壽命半導體表面吸附著外界空氣來的雜質分子或原子，半導體表面存在著表面缺陷。這種缺陷是從體內延伸到表面的晶格結構在表面中斷，表面原子出現(xiàn)懸空鍵，或者是半導體在加工過程中在表面留下的嚴重損傷或內應力，造成在體內更多的缺陷和晶格畸變，這些雜質和缺陷形成能接受或施放電子的表面能級，表面復合就是依靠表面能級對電子空穴的俘獲來進行復合的。實際上表面復合過程屬于間接復合，此時的復合中心位于半導體材料的表面。1.10非平衡載流子的復合及其壽命半導體表面表面復合中心能級E2表面復合半導體中的載流子在不停地作無規(guī)則的熱運動，沒有固定方向的流動，所以半導體中并不產(chǎn)生電流。若在半導體兩端加上一個電壓，即半導體處于一個電場中，載流子在電場加速作用下，獲得了附加的運動，這就稱之為載流子的漂移運動。實際的晶體中有雜質原子，缺陷，晶格原子也不停地振動。這些因素都使晶體中載流子的運動狀態(tài)或運動方向不斷發(fā)生變化，載流子運動方向不斷發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱之為散射。由于散射的作用，漂移運動是曲折前進的運動。遷移率是衡量半導體中載流子平均漂移速度的一個重要參數(shù)，其數(shù)值等于在單位電場作用下電子和空穴的定向運動速度。因此，它反映了載流子運動的快慢程度。載流子的遷移率隨著溫度，摻雜濃度和缺陷濃度變化。同一種半導體材料，溫度升高，遷移率下降，摻雜濃度，缺陷濃度增加，遷移率同樣逐漸下降。遷移率還和載流子的有效質量有關。電子的有效質量比空穴小，所以電子的遷移率比空穴大。遷移率是反映半導體中載流子導電能力的重要參數(shù)，摻雜半導體的電導率一方面取決于摻雜濃度，另一方面取決于遷移率的大小。1.12載流子的擴散運動，擴散系數(shù)，擴散長度向半導體中注入非平衡載流子時，注入部分的載流子密度比其它部分高，載流子會由密度大的地方向密度小的地方遷移，這種現(xiàn)象叫做載流子的擴散運動。擴散的強弱是由載流子濃度的變化決定的，濃度梯度越大，擴散也越容易，同時，擴散的強弱還與載流子的種類，運動的速度以及散射的次數(shù)等有關，我們用擴散系數(shù)來表示載流子擴散能力的強弱。非平衡載流子在擴散運動過程中不斷地復合而消失。結果非平衡載流子密度由注入部分開始向密度小的方向逐漸減小。在連續(xù)注入的條件下，非平衡載流子密度由大到小形成一個穩(wěn)定的分布。由注入部位到非平衡載流子密度減小到1數(shù)值位置之間的距離稱為載流子的擴散長度，如圖1.12-1所示，它也是半導體材料的重要參數(shù)之一。擴散長度可以理解為：非平衡載流子在平均壽命時間內經(jīng)擴散運動所通過的距離。1.12載流子的擴散運動，擴散系數(shù)，擴散長度擴散長度距離載流子密度01.13結在一塊完整的半導體晶體中，如果一部分是N型半導體，另一部分是P型半導體。在N型半導體中，多數(shù)載流子是電子，電子濃度遠遠超過少數(shù)載流子空穴的濃度，而在P型半導體中，空穴是多數(shù)載流子，空穴濃度遠遠超過少數(shù)載流子電子的濃度，如圖1.13-1所示。

圖1.13-11.13結在N型和P型半導體的交界面處存在有電子和空穴濃度梯度，N區(qū)中的電子就向P區(qū)滲透擴散，擴散的結果是N型區(qū)域中鄰近P型區(qū)域一邊的薄層內有一部分電子擴散到N型中去了。由于這個薄層失去了一些電子，在N區(qū)就形成帶正電荷的區(qū)域。同樣，P型區(qū)域中鄰近N型區(qū)域一邊的薄層內有一部分空穴擴散到N型區(qū)域一邊去了。由于這個薄層失去了一空穴，在P區(qū)就形成了帶負電荷的區(qū)域。這樣在N型區(qū)和P型區(qū)交界面的兩側形成了帶正，負電荷的區(qū)域，叫做空間電荷區(qū)。如圖1.13-2。N型P型空間電荷區(qū)圖1.13-21.13結空間電荷區(qū)中的正負電荷間形成電場。電場的方向是由N型區(qū)域指向P型區(qū)域，這個由于載流子濃度不均勻而引起擴散運動后形成的電場稱為自建電場。我們知道，載流子在電場作用下，會產(chǎn)生漂移運動。自建電場將N區(qū)向P區(qū)擴散的電子接回到N區(qū)，把P區(qū)向N區(qū)擴散的空穴接回到P區(qū)，由此可見，在空間電荷區(qū)內，自建電場引起電子和空穴的漂移運動方向與它們各自的擴散運動方向正好相反。開始時，電子和空穴的擴散占優(yōu)勢，隨著電子和空穴的不斷擴散?？臻g電荷的數(shù)量不斷增強自建電場也越來越強，直到載流子的漂移運動和擴散運動相抵消時（即大小相等，方向相反），這時，N型區(qū)域內的電子和P型區(qū)域的空穴不再減少，空間電荷區(qū)也不再加厚，達到了動態(tài)平衡?？臻g電荷區(qū)也叫阻擋層，（意思時阻止電子和空穴的繼續(xù)擴散），就是我們通常講的結。結時許多半導體組件的核心，結的性質集中反映了半導體導電性能的特點，如：存在兩種載流子，載流子有漂移擴散和產(chǎn)生，復合等基本運動的形成。所以，結是半導體組件入門的基礎。1.13結1.13.2結的整流現(xiàn)象當結正向連接時，即P型半導體區(qū)域接到電池的正極，N型半導體區(qū)域接到電池的負端。結正向電阻很小，通過結的正向電流很大，這是由于外加電池再結中所產(chǎn)生的電場方向相反，阻擋層厚度減小。P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子再這個外加的電場的吸引下不斷地流過交界處，使它的電阻大大降低電流很容易通過。若外加電壓繼續(xù)上升，則自建電場被減弱和抵消，所以正向電流隨著外加正向電壓的增加而逐漸上升。當結反向連接時，P區(qū)接電池負端，N區(qū)接電池正端，結呈現(xiàn)很大的電阻，通過結中的電流很小。這是由于外加電池在結中所產(chǎn)生的電場方向用結自建電場方向相同。阻擋層變厚，加強了電場阻止電子和空穴流通的作用，電阻大大增強，電流很難流過。這就是方向連接的電流很小的原因。硅在高溫下能與氯，氧，水蒸氣等作用，生成四氯化硅，二氧化硅。硅不溶于243以及王水（313），硅與可以發(fā)生反應，但反應速度比較緩慢。硅和硝酸，氫氟酸的混合液起作用它利用濃3的強氧化作用。使硅表面生成一層2，另一方面利用的絡合作用，酸能與2反應生成可溶性的六氟硅酸絡合物H2[6]。硅能與堿相互作用生成相應的硅酸鹽。硅能與222等金屬離子發(fā)生置換反應。硅能溶解在熔融的鋁，金，銀，錫，鉛等金屬之中，形成合金。硅和這些金屬的量可在一定范圍內變化。在高溫下硅與鎂，鈣，銅，鐵，鉑，鉍等金屬能形成具有一定組成的硅化物。1.16.1半導體材料導電類型的檢驗方法：熱探針法：