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半导体基础知识大全你知道多少
发布时间:2016-11-10 07:36 浏览量:
 引言 
上世纪中叶,单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功,导致了电子工业革命;上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明,促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业,使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功,彻底改变了光电器件的设计思想,使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。 
半导体定义 
我们通常把导电性差的材料,如煤、人工晶体、琥珀、陶瓷等称为绝缘体(insulator)。 
把导电性比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体(conductor)。 
常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料称为半导体(semiconductor)。 
与导体和绝缘体相比,半导体材料的发现是最晚的,直到20世纪30年代,当材料的提纯技术改进以后,半导体的存在才真正被学术界认可。 
发展历史 
1833年,英国科学家电子学之父法拉第最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属,一般情况下,金属的电阻随温度升高而增加,但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。 
1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结,在光照下会产生一个电压,这就是后来人们熟知的光生伏特效应,这是被发现的半导体的第二个特征。 
1873年,英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应,这是半导体又一个特有的性质。半导体的这四个效应,(jianxia霍尔效应的余绩──四个伴生效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了,但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。 
在1874年,德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关,即它的导电有方向性,在它两端加一个正向电压,它是导通的;如果把电压极性反过来,它就不导电,这就是半导体的整流效应,也是半导体所特有的第三种特性。同年,舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。 
很多人会疑问,为什么半导体被认可需要这么多年呢?主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料,很多与材料相关的问题就难以说清楚。 
半导体分类 
按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。 
锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物(砷化镓、磷化镓等)、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物(硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体(镓铝砷、镓砷磷等)。 
按照其制造技术,半导体的分类可分为:集成电路器件,分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类,一般来说这些还会被分成小类。 
半导体的特点 
半导体五大特性∶掺杂性,热敏性,光敏性,负电阻率温度特性,整流特性。
在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素,导电性能具有可控性。在光照和热辐射条件下,其导电性有明显的变化。 
半导体工作原理 
本征半导体:不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下,半导体的价带是满带,受到热激发后,价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带,空带中存在电子后成为导带,价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位,称为空穴。 
空穴导电并不是实际运动,而是一种等效。电子导电时等电量的空穴会沿其反方向运动。它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流,分别称为电子导电和空穴导电。 
这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴,电子-空穴对消失,称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射(发光)或晶格的热振动能量(发热)。在一定温度下,电子-空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡,此时半导体具有一定的载流子密度,从而具有一定的电阻率。温度升高时,将产生更多的电子-空穴对,载流子密度增加,电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大,实际应用不多。 
掺杂半导体
半导体之所以能广泛应用在今日的数位世界中,凭借的就是其能借由在其晶格中植入杂质改变其电性,这个过程称之为掺杂(doping)。 
半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中掺入微量杂质时,杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态,在禁带中产生附加的杂质能级。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时,杂质原子作为晶格的一分子,其五个价电子中有四个与周围的锗(或硅)原子形成共价结合,多余的一个电子被束缚于杂质原子附近,产生类氢能级。杂质能级位于禁带上方靠近导带底附近。杂质能级上的电子很易激发到导带成为电子载流子。这种能提供电子载流子的杂质称为施主,相应能级称为施主能级。 
掺杂进入本质半导体(intrinsicsemiconductor)的杂质浓度与极性皆会对半导体的导电特性产生很大的影响。而掺杂过的半导体则称为外质半导体(extrinsicsemiconductor)。 
杂质半导体:通过扩散工艺,在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素,可得到杂质半导体。 
P型半导体:在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了P型半导体。 
多数载流子:P型半导体中,空穴的浓度大于自由电子的浓度,称为多数载流子,简称多子。 
少数载流子:P型半导体中,自由电子为少数载流子,简称少子。
受主原子:杂质原子中的空位吸收电子,称受主原子。 
P型半导体的导电特性:它是靠空穴导电,掺入的杂质越多,多子(空穴)的浓度就越高,导电性能也就越强。 
N型半导体:在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷),使之取代晶格中硅原子的位置形成N型半导体。 
多子:N型半导体中,多子为自由电子。 
少子:N型半导体中,少子为空穴。 
施主原子:杂质原子可以提供电子,称施主原子。 
N型半导体的导电特性:掺入的杂质越多,多子(自由电子)的浓度就越高,导电性能也就越强。 
半导体掺杂物 
掺杂物依照其带给被掺杂材料的电荷正负被区分为施主(donor)与受主(acceptor)。施主原子带来的价电子(valence electrons)大多会与被掺杂的材料原子产生共价键,进而被束缚。而没有和被掺杂材料原子产生共价键的电子则会被施主原子微弱地束缚住,这个电子又称为施主电子。 
和本质半导体的价电子比起来,施主电子跃迁至传导带所需的能量较低,比较容易在半导体材料的晶格中移动,产生电流。虽然施主电子获得能量会跃迁至传导带,但并不会和本质半导体一样留下一个电洞,施主原子在失去了电子后只会固定在半导体材料的晶格中。因此这种因为掺杂而获得多余电子提供传导的半导体称为n型半导体(n-type semiconductor),n代表带负电荷的电子。 
和施主相对的,受主原子进入半导体晶格后,因为其价电子数目比半导体原子的价电子数量少,等效上会带来一个的空位,这个多出的空位即可视为电洞。受主掺杂后的半导体称为p型半导体(p-type semiconductor),p代表带正电荷的电洞。
以一个硅的本质半导体来说明掺杂的影响。硅有四个价电子,常用于硅的掺杂物有三价与五价的元素。当只有三个价电子的三价元素如硼(boron)掺杂至硅半导体中时,硼扮演的即是受主的角色,掺杂了硼的硅半导体就是p型半导体。反过来说,如果五价元素如磷(phosphorus)掺杂至硅半导体时,磷扮演施主的角色,掺杂磷的硅半导体成为n型半导体。 
一个半导体材料有可能先后掺杂施主与受主,而如何决定此外质半导体为n型或p型必须视掺杂后的半导体中,受主带来的电洞浓度较高或是施主带来的电子浓度较高,亦即何者为此外质半导体的“多数载子”(majoritycarrier)。和多数载子相对的是少数载子(minoritycarrier)。对于半导体元件的操作原理分析而言,少数载子在半导体中的行为有着非常重要的地位。

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