半导体的基础知识简介

1.半导体材料

半导体材料是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1 mΩ·cm～1 GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

半导体基础知识

最常用的是硅（Si）和锗（Ge）两种元素半导体。半导体材料之所以得到广泛的应用，是因为它具有不同于导体和绝缘体的两种独特性质。

（1）半导体的电阻率对温度的反应很灵敏，其电阻率随温度的上升而明显下降。

（2）半导体对光的反应也很灵敏，它的电阻率因光照的不同会发生改变，光照越强，电阻率越低，导电能力越强。

（3）半导体的电阻率与其所含杂质的浓度有很大关系，这一点与导体及绝缘体截然不同。

半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样的分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。

2.本征半导体

本征半导体是指完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体，一般是指其导电能力主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。典型的本征半导体有硅（Si）、锗（Ge）及砷化镓（GaAs）等。如图5.1（a）所示。本征半导体中存在大量的价电子，当半导体的温度T＞0 K时，有电子从价带激发到导带去，同时价带中产生了空穴，这就是所谓的本征激发。

一般来说，半导体中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、温升、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为近似自由的电子（同时产生出一个空穴），这就是本征激发。这是一种热学本征激发，所需要的平均能量就是禁带宽度。

本征激发还有其他一些形式。如果是光照使得价电子获得足够的能量、挣脱共价键而成为自由电子，这是光学本征激发（竖直跃迁）；这种本征激发所需要的平均能量要大于热学本征激发的能量——禁带宽度。如果是电场加速作用使得价电子受到高能量电子的碰撞、发生电离而成为自由电子，这是碰撞电离本征激发；这种本征激发所需要的平均能量大约为禁带宽度的1.5倍。

图5.1　本征半导体(www.xing528.com)

价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在原来共价键的相应位置上留下一个空位，这个空位称为空穴。空穴是一种带正电荷的载流子，其电量与电子电量相等。如图5.1（b）所示，其中A处为空穴，B处为自由电子。自由电子和空穴是成对出现的，因此称为电子空穴对。可见，在本征半导体中存在两种载流子，带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。但是，由于本征激发产生的电子空穴对的数目很少，载流子浓度很低，因此本征半导体的导电能力仍然很弱。

在本征激发产生电子空穴对的同时，自由电子在运动中因能量的损失有可能和空穴相遇，重新被共价键束缚起来，电子空穴对消失，这种现象称为“复合”。显然，在一定的温度下，激发和复合都在不停地进行，但最终将达到动态平衡。

3.杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。制备杂质半导体时一般按百万分之一数量级的比例在本征半导体中掺杂，也叫掺杂半导体。根据掺入杂质的化合价不同，可分为N型半导体和P型半导体。

（1）N型半导体。

在硅（或锗）晶体内掺入微量的五价元素如磷（P）或砷（As）等，由于磷原子最外层轨道上有5个价电子，其中4个价电子和周围的硅原子形成共价键，还多余出一个价电子，这个价电子受磷原子的束缚很弱，很容易受热激发获得能量摆脱磷原子核对它的束缚而成为自由电子。每个磷原子都能提供一个自由电子，成为一个带正电离子，磷元素越多，形成的自由电子越多，且磷原子固定在晶格中不能移动，不可能有电子来弥补它，所以也不能产生空穴。这种半导体内电子的数量远远超出空穴的数量，被称为N型半导体，主要靠自由电子导电，自由电子是传递电流的主要带电粒子，称为多数载流子，空穴称为少数载流子，如图5.2（a）所示。

显然，在N型半导体中，自由电子浓度远大于空穴浓度，所以称自由电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子）。多子的浓度取决于所掺杂质的浓度，而少子是由本征激发产生的，因此它的浓度与温度或光照密切相关。

图5.2　杂质半导体

（2）P型半导体。

在硅（或锗）单晶体内掺入微量的三价元素如硼（B）或铝（Al）等，由于硼原子最外层轨道上只有3个价电子，分别和相邻的3个硅原子形成共价键后，还留下一个空穴缺少电子填补，成为一种不稳定的结构，硼原子很容易从邻近的共价键中夺取一个电子，形成一个带负电的离子，而在失去电子的共价键中形成一个空穴，这种半导体就称为P型半导体，如图5.2（b）所示。显然，在P型半导体中，空穴是多子，而自由电子是少子。

注意：无论是N型还是P型半导体都是电中性，对外不显电性。