半导体学中的本征半导体及其载流子特性探究

1.导体、绝缘体、半导体

能够导电的物质叫导体，不能导电的物质叫绝缘体，介于导体与绝缘体两者之间的物体叫半导体。导体有金属、石墨、大地、人体以及各种酸、碱、盐的水溶液等；绝缘体有橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、油、空气等；半导体有硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓等。

2.半导体

半导体是指导电能力介于导体与绝缘体两者之间的物质。半导体大体上可分为两类，即本征半导体和杂质半导体。本征半导体是指纯净的半导体。纯净一是指半导体材料中只含一种元素的原子，二是指原子与原子之间的排列是有一定规律的。本征半导体的特点是导电能力极弱，且随温度变化导电能力有显著变化。杂质半导体是指人为地在本征半导体中掺入微量其他元素（称杂质）所形成的半导体，杂质半导体有两类，即N型半导体和P型半导体。

3.半导体材料常用的表征参数

半导体材料常用的表征参数有电学参数、化学纯度、晶体学参数和几何尺寸。

1）电学参数有电阻率、导电类型、载流子浓度、迁移率、少数载流子寿命、电阻率均匀性。

2）化学纯度有材料的本底纯度。

3）晶体学参数有晶向、位错密度。

4）几何尺寸有直径、晶片厚度、弯曲度、翘曲度、平行度、抛光面的平坦度等。

4.元素半导体材料

已知有12个元素具有半导体性质，即硼（B）、碳（C）、硅（Si）、磷（P）、硫（S）、锗（Ge）、砷（As）、硒（Se）、锡（Sn）、锑（Sb）、碲（Te）、碘（I）。硅具有优良的半导体性质，是最主要的半导体材料。锗具有良好的半导体性质，是重要的半导体材料之一。

5.化合物半导体材料

化合物半导体材料按其构成元素的数量可分为二元、三元、四元等，按其构成元素在元素周期表的位置可分为Ⅲ～Ⅳ族、Ⅱ～Ⅵ族、Ⅱ～Ⅳ～Ⅵ族等，种类繁多，性能各异，用途多种多样。20世纪80年代，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的化合物半导体材料及其器件得到迅速发展。

6.半导体中的载流子

载流子就是电荷的载体（电荷的输送者），也就是能够移动的荷电粒子，载流子数量大，电导率就高。具有无数载流子的物质是导体，没有载流子的物质是绝缘体，可以改变载流子数量的物质是半导体。电子、正离子、负离子、半导体导带中的电子、空穴等都是载流子。

7.半导体的分类

根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热半导体；根据其结晶结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型半导体；根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶体半导体、微晶体半导体；根据其化学组成分可分为元素半导体、化合物半导体、固溶半导体三大类，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。

8.N型半导体

“N”表示负电的意思，常温下半导体的导电性能主要由杂质来决定，当半导体中掺有施主杂质时，主要靠施主提供带负电的电子导电，这种依靠电子导电的半导体叫做N型半导体。例如，下列的掺杂都称为N型半导体：

1）硅（Si）中掺有V族元素杂质磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）。

2）砷化镓（GaAs）掺有Ⅳ族和Ⅵ族元素杂质硅（Si）、碲（Te）、硒（Se）。

3）磷化铟（InP）中掺有元素杂质硫（S）、锡（Sn）。

4）氮化镓（GaN）中掺有Ⅳ族和Ⅵ族元素杂质硅（Si）、碲（Te）、硒（Se）。

5）碳化硅（SiC）中掺有元素杂质氮（N）、磷（P）、砷（As）。

9.P型半导体

“P”表示正电的意思，当半导体中掺有受主杂质时，主要靠受主提供带正电的空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体叫做P型半导体。例如，下列的掺杂都称为P型半导体：

1）硅（Si）中掺有V族元素杂质硼（B）、铝（A）、镓（G）、铟（I）；砷化镓（GaAs）中掺有元素杂质锌（Zn）、镉（Cd）、镁（Mg）、铍（Be）、碳（C）。

2）磷化铟（InP）中掺有元素杂质锌（Zn）、镉（Cd）。

3）氮化镓（GaN）中掺有元素杂质锌（Zn）、镉（Cd）、镁（Mg）、铍（Be）、碳（C）。

4）碳化硅（SiC）中掺有元素杂质铝（Al）、镓（G）、铍（Be）。

10.PN结的形成

开始时，有人想用机械方法把P型材料与N型材料结合在一起，结果都不成功。这说明PN结并不是将P型半导体和N型半导体简单地连接在一起就可以了，而是要用扩散法、离子注入法、合金法和薄膜生长法工艺，使半导体的一部分呈P型，一部分呈N型，N型半导体中的多数载流子电子就向P型半导体一边扩散。结果使N型区域中邻近P型区一边的薄层A中有一部分电子扩散到P型区域中去了，如图3-3所示。电子扩散至P型区域，薄层A中因失去了这一部分电子而带正电。同样，P型区域中邻近N型区域一边的薄层B中有一部分空穴扩散到N型区域一边去了，如图3-4所示。空穴扩散至N型区域，结果使薄层B带有负电。这样就在N型和P型两种不同类型半导体的交界面两侧形成了带电薄层A和B（其中A带正电，B带负电），A、B间便产生了一个电场，这个带电的薄层A和B叫做PN结，也叫做阻挡层。

图3-3 电子扩散至P型区域

图3-4 空穴扩散至N型区域

11.PN结的特性

当P型区域接到电池的正极、N型区域接到电池的负极时（这种接法称为正向连接），漂移和扩散的动态平衡被破坏，在PN结中流过的电流很大。这时，电池在PN结中所产生的电场方向恰好与PN结原来存在的电场方向相反，而且外加电场比PN结电场强，这两个电场叠加后，电场是由P型区域指向N型区域的。因此，PN结中原先存在的电场被削弱了，阻挡层的厚度减小了，所以正向电流将随着外加正向电压的增加而迅速上升。

当P型区域接到电池的负极、N型区域接到电池的正极时（这种接法称为反向连接），在PN结中流过的电流很小。这是由于外加电压在PN结中所产生的电场方向是由N型区指向P型区，也即与PN结原来存在的电场方向一致，这两个电场叠加后，加强了电场阻碍多数载流子的扩散运动。此时，阻挡层的厚度比原来增大，原来漂移和扩散的动态平衡也被破坏了，漂移电流大于扩散电流，正是这个电流造成了反向漏电流。

PN结的这个性质叫做单向导电性。

12.载流子

能自由运动在导带中的电子和自由运动在价带中的空穴称为载流子。

13.本征导电

对于纯净的而又没有缺陷的半导体，在电子导电的同时，必然也有空穴导电。具有电子在导带中和空穴在满带中相互并存的导电机构，称为本征导电。

14.掺杂

根据需要可以在纯净半导体晶体点阵里，用扩散等方法掺入微量的其他元素，所掺入的元素对半导体基体而言，称为杂质（间隙杂质、替位杂质）。掺有杂质的半导体称为掺杂半导体。(www.xing528.com)

15.施主

提供电子的杂质称为施主。杂质价电子在局部能级中，并不参与导电，但是在受到激发时，很容易跃迁到导带上去。这些局部能级称为施主能级，用E_D表示。这种杂质半导体的导电机构，是由杂质中多余电子经激发而跃迁至导带中形成的，称为电子型（N型）半导体。

16.受主

在半导体中，从半导体接受电子的杂质称为受主。与之相应的能级称为受主能级，用E_A表示。这种杂质半导体的导电机构基本上取决于价带中空穴的运动，所以称为空穴型（P型）半导体。

17.耗尽层

一个电子碰到了空穴，电子进入空穴，填补了空穴所缺的电子，这样空穴就消失。因为填补空穴的电子并非来自邻近原子的价电子，而是来自导带的电子，所以并未产生新的空穴，没有发生空穴位移。这样，在PN结两侧的一定尺寸的范围内可移动的载流子基本上消失，也就是耗尽，这个层称为耗尽层。

18.势垒

耗尽层中可观察到势垒的变化。PN结电位倾斜表明它能阻止载流子流动，从这个意义上讲，耗尽层中的电位倾斜被称为势垒。为了使载流子流动，可以设法加一个电压使该势垒的高度降低。

19.内电场

P型区一侧呈负电荷，N型区一侧呈正电荷，因此空间电荷区出现了方向由N型区指向P型区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场，如图3-5所示。内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立，将带来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散；二是P型区和N型区的少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方区域，使空间的电荷区变窄。因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移，而不利于多子的扩散；漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散，而不利于少子的漂移。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即PN结处于动态平衡。

图3-5 内电场

图3-6 漂移电流

20.漂移电流

由于外加电压所产生的电场，使电子和空穴因电性相吸引而流动产生电流，称为漂移电流，如图3-6所示。

21.扩散电流

将P型半导体与N型半导体结合，加正向电压，电子从N型半导体流入P型半导体，而空穴从P型半导体流入N型半导体，即电子和空穴因热运动从密度高的地方流入到密度低的地方，在这样的结构中流动的电流称为扩散电流，如图3-7所示。在双极性晶体管或PN结二极管中，扩散电流为主体。

22.半导体导电

如果外电场未能改变满带中电子的量子状态，即不能增加电子的能量和动量，因而不能产生电子的定向运动，不会产生电流。如果加强电场，或者利用热和光的激发，使价带（满带）中的电子获得足够的能量（大于其禁带宽度E_g），而跃迁到导带中去，如图3-8所示。这样，半导体则可能导电。

图3-7 扩散电流

图3-8 半导体导电

图3-9 PN结加正向电压

23.PN结加正向电压

当PN结外加正向电压时，外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场，于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流增大，扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性，如图3-9所示。

24.PN结加反向电压

当PN结外加反向电压时，外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场，有利于少子的漂移，而不利于多子的扩散，漂移运动起主要作用，漂移运动产生的漂移电流的方向与正向电流相反，称为反向电流。因少子浓度很低，反向电流远小于正向电流。图3-10为PN结加反向电压。

25.漂移速度

半导体在外电场作用时，在载流子的热运动上将叠加一个附加的速度（由电场所引起的载流子的平均速度的增量），称为漂移速度。

26.迁移率

迁移率是用来说明载流子导电运动的一个物理量，就是当电场强度为1V／cm时载流子的漂移速度，单位是cm²／（V·s）。例如，硅的电子迁移率为1350cm²／（V·s），就是说，当电场强度为1V／cm时，电子在硅晶体中以1350cm／s的速度向正电极漂移。迁移率是反映半导体中载流子导电能力的重要参数。载流子在没有电场时，做无规则运动，由于运动方向不断改变，平均位移等于零，不产生电流效应。载流子不断改变运动方向是因为在晶格里和原子碰撞的结果，载流子平均每走几十或几百个原子距离（10^－7～10^－6 cm），就和原子发生一次碰撞。当在外电场作用下，载流子就顺着或逆着电场作定向运动，产生电流。

掺杂半导体的电导率一方面取决于掺杂的浓度，另一方面取决于迁移率的大小。同样的掺杂浓度，载流子的迁移率越大，材料的电导率越高。迁移率大小不仅关系着导电能力的强弱，而且直接决定载流子运动的快慢，它对半导体器件工作速度有直接的影响。不同的材料，电子和空穴的迁移率是不相同的，迁移率受晶体散射和电离杂质散射的影响，与晶体质量有关，晶体完整性好，迁移率就高。另外，迁移率随温度变化。

27.多数载流子及少数载流子

在本征半导体中，电子和空穴的浓度是相等的，而在含有杂质和晶格缺陷的半导体中，电子和空穴的浓度不相等，把数目多的载流子称为多数载流子，数目少的载流子称为少数载流子。N型半导体中，电子是多数载流子，空穴就是少数载流子；在P型半导体中正好相反，电子是少数载流子，空穴是多数载流子。

28.载流子复合

不存在外电场时，电子和空穴在晶格中的运动是无规则的，电子和空穴经常碰到一起，电子跳到空穴的位置上，把空穴填补掉，这时电子和空穴就随之消失，就种现象就称为载流子复合。

29.晶体管

绝大多数半导体是晶体，因而往往把半导体材料称为晶体，半导体适宜做晶体管，晶体管的名称就是这样得来的。半导体适宜做晶体管是因为半导体具有独特的性质：

1）在本征半导体中适当地掺入极微量的外来杂质，则半导体的导电能力就会有上百万倍的增加，这是半导体最突出、最宝贵的特性。利用这个特性，可以制造出不同性质、不同用途的晶体管。

2）半导体的导电能力随外界条件的变化会有显著不同。例如，当照射在半导体上的光线改变时，或者半导体所处的环境温度变化时，半导体的导电能力均将随着发生显著的变化。利用半导体的这种特性，可制成各种光敏元件（如光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管等）和热敏元件（如热敏电阻）。

图3-10 PN结加反向电压