半导体

电阻率 介于金属 和绝缘体 ^[1] 之间有负电阻温度系数的物质。

半导体室温下的电阻率约为10E-5 ～10E7 欧· 当温度升高时，电阻率指数降低。

半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体 和化合物半导体两类。

锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物(砷化镓、磷化镓等)Ⅱ-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 由民族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶体半导体外，还有非晶体玻璃半导体、有机半导体等。

半导体：指由半导体材料制成的半导体收音机。

　　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 ( 见能带理论 ) ， 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。导带中的电子和价带中的空穴 合称电子 - 空穴对，均能自由移动，即载流子，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。

　　半导体五大特性∶ 电阻率特性，导电特性，光电特性，负的电阻率温度特性，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。

　　晶格 ：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵， 称为晶格。

　　共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动， 而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。

　　自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子 。

　　空穴 ：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而 留下一个空位置称空穴。

　　电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。

　　空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。

　　本征半导体的电流：电子电流+ 空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。

　　载流子 ：运载电荷的粒子称为载流子。

　　导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。

　　本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。

　　本征激发 ：半导体在热激发下产生自由电子和空 穴的现象称为本征激发。

　　复合 ：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇 就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。

　　动态平衡 ：在一定的温度下，本征激发所产生的 自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。

　　载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴 的浓度相等。当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓 度降低，导电性能变差。

　　结论：本征半导体的导电性能与温度有关。半导体材料性能对温度的敏感性，可制作热敏和光敏器 件，又造成半导 体器件 温度稳定性差的原因。

　　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。

　　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，就形成了N 型半导体。

　　多数载流子 ：N 型半导体中，自由电子的浓度大于 空穴的浓度，称为多数载流子，简称多子。

　　少数载流子：N 型半导体中，空穴为少数载流子，简称少子。

　　施子原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。

　　N 型半导体的导电特性：它是靠自由电子导电，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。

　　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，形成P 型半导体。

　　多子 ：P 型半导体中，多子为空穴。

　　少子 ：P 型半导体中，少子为电子。

　　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：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。

　　结论：

　　多子的浓度决定于杂质浓度。

　　少子的浓度决定于温度。

　　PN 结的形成：将P 型半导体与N 型半导体制作在同一块硅片 上，在它们的交界面就形成PN 结。

　　PN 结的特点：具有单向导电性。

　　扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运 动。

　　空间电荷区：扩散到P 区的自由电子与空穴复合，而扩散到N 区的空穴与自由电子复合，所以在交界 面附近多子的浓度下降，P 区出现负离子区，N 区出现正离子区，它们是不能移动，称为空间电荷区。

　　电场形成：空间电荷区形成内电场。

　　空间电荷加宽，内电场增强，其方向由N 区指向P 区，阻止扩散运动的进行。

　　漂移运动：在电场力作用下，载流子的运动称漂移运动。

　　PN 结的形成过程：如图所示，将P 型半导体与N 型半导体制作在同一块硅片上，在无外电场和其它 激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN 结。

PN 结的形成过程

　　电位差 ：空间电荷区具有一定的宽度，形成电位差 Uho ，电流为零。

　　耗尽层 ：绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴的数目都非常少，在分析PN 结时常忽略载流子的作 用，而只考虑离子区的电荷，称耗尽层。

　　PN 结的单向导电性

　　伏安特性曲线 ：加在PN 结两端的电压和流过二 极管的电流之间的关系曲线称为伏安特性曲线。如图所示：

PN 伏安特性

　　正向特性：u>0 的部分称为正向特性。

　　反向特性：u<0 的部分称为反向特性。

　　反向击穿：当反向电压超过一定数值U （BR ）后，反向电流急剧增加，称之反向击穿。

　　势垒电容 ：耗尽层宽窄变化所等效的电容 称为势垒电容 Cb 。

　　变容二极管 ：当PN 结加反向电压时，Cb 明显随 u 的变化而变化，而制成各种变容二极管。如下图所示。

PN 结的势垒电容

　　平衡少子：PN 结处于平衡状态时的少子称为平衡少子。

　　非平衡少子：PN 结处于正向偏置时，从P 区扩散到N 区的空穴和从N 区扩散到P 区的自由电子均称 为非平衡少子。

　　扩散电容 ：扩散区内电荷的积累和释放过程与电 容器充、放电过程相同，这种电容效应称为Cd 。

　　结电容：势垒电容与扩散电容之和为PN 结的结电容Cj 。

　　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。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需 能量小得多（图2 ）。在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在 一个空位，与此空位相应的能量状态就是杂质能级，通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发到杂质能级上填补这个空位，使杂质原子成为负离子。价 带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载流子（图3 ）。这种能提供空穴的杂质称为受主杂质。存在受主杂质时，在价带中形成一个空穴载流子所需能量比本征半导 体情形要小得多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。加热或光照产生的热激发或光激发都会使自由载流子数增加而导致电阻率减小，半导体热敏电阻 和光敏电阻 就是 根据此原理制成的。对掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是导带中的电子，属电子型导电，称N 型半导体。掺入受主杂质的半导体属空穴型导电，称P 型半导 体。半导体在任何温度下都能产生电子- 空穴对，故N 型半导体中可存在少量导电空穴，P 型半导体中可存在少量导电电子，它们均称为少数载流子。在半导体器件 的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。

　　PN 结

　　P 型半导体与N 型半导体相互接触时，其交界区域称为PN 结。P 区中的自由空穴和N 区中的自由电 子要向对方区域扩散，造成正负电荷在 PN 结两侧的积累，形成电偶极层( 图4 ) 。电偶极层中的电场方向正好阻止扩散的进行。当由于载流子数密度不等引起的扩散作用与电偶层中电场的作用达到平衡时，P 区和N 区之间形成一定的电势差， 称为接触电势差。由于P 区中的空穴向N 区扩散后与N 区中的电子复合，而N 区中的电子向P 区扩散后与P 区中的空穴复合，这使电偶极层中自由载流子数减少而形成高阻层，故电偶极层也叫阻挡层，阻挡层的电阻值往往是组成PN 结的半导体的原有阻值的几十倍乃至几 百倍。

　　PN 结具有单向导电性，半导体整流管 就是利用PN 结的这一特性制成的。PN 结的另一重要性质是受到光照后能产生电动势，称光生伏打效应 ，可利用来制造光电池。半导体三极管 、 可控硅、PN 结光敏器件和发光二极管 等半导体器件均利用了PN 结的特性。

　　半导体掺杂

　　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 ）。掺杂进入本质半导体（intrinsic semiconductor ）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（extrinsic semiconductor ）。

　　半导体掺杂物

　　哪种材料适合作为某种半导体材料的掺杂物（dopant ）需视两者的原子特性而定。一般而言， 掺杂物依照其带给被掺杂材料的电荷正负被区分为施体（donor ）与受体（acceptor ）。施体原子带来的价电子（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体原子微弱地束缚住，这个电子又 称为施体电子。和本质半导体的价电子比起来，施体电子跃迁至传导带 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。虽然施体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，施体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。

　　和施体相对的，受体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。受体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，硼扮演的即是受体的角色，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，磷扮演施体的角色，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体与受体，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，受体带来的电洞浓度较高或是施体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” （majority carrier ）。和多数载子相对的是少数载子（minority carrier ）。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。

　　半导体载子浓度

　　掺杂物浓度对于半导体最直接的影响在于其载子浓度。在热平衡 的状态下，一个未经掺杂的本质半导体，电 子与电洞的浓度相等，如下列公式所示：

　　n = p = ni 其中n 是 半导体内的电子浓度、p 则是半导体的电洞浓度，ni 则是本质半导体的载子浓度。ni 会 随着材料或温度的不同而改变。对于室温下的硅而言，ni 大约是1×10 cm 。

　　通常掺杂浓度越高，半导体的导电性就会变得越好，原因是能进入传导带的电子数量会随着掺杂浓度 提高而增加。掺杂浓度非常高的半导体会因为导电性接近金属而被广泛应用在今日的集成电路制程来取代部份金属。高掺杂浓度通常会在n 或是p 后 面附加一上标的“+” 号，例如n 代表掺杂浓度非常高的n 型半导体，反之例如p 则代表轻掺杂的p 型半导体。需要特别说明的是即使掺杂浓度已经高到让半导体“ 退化” （degenerate ）为导体，掺杂物的浓度和原本的半导体原子浓度 比起来还是差距非常大。以一个有晶格结构的硅本质半导体而言，原子浓度大约是5×10 cm ，而一般集成电路制程里的掺杂浓度约在10 cm 至10 cm 之间。掺杂浓度在10 cm 以上的半导体在室温下通常就会被视为是一个“ 简并半导体” （degenerated semiconductor ）。重掺杂的半导体中，掺杂物和半导体原子的浓度比约是千分之一，而轻掺杂则可能会到十亿分之一的比例。在半导体制程中，掺杂 浓度都会依照所制造出元件的需求量身打造，以合于使用者的需求。

　　掺杂对半导体结构的影响

　　掺杂之后的半导体能带会有所改变。依照掺杂物的不同，本质半导体的能隙之间会出现不同的能阶。 施体原子 会 在靠近传导带的地方产生一个新的能阶，而受体原子则是在靠近价带的地方产生新的能阶。假设掺杂硼 原子进入硅，则因为硼的能阶到硅的价带之间仅有 0.045 电子伏 特 ，远小于硅本身的能隙1.12 电子伏特，所以在室温下就可以使掺杂到硅里的硼原子完全解离化（ionize ）。

　　掺杂物对于能带结构的另一个重大影响是改变了费米能阶的位置。在热平衡的状态下费米能阶依然会 保持定值，这个特性会引出很多其他有用的电特性。举例来说，一个p-n 接面（p-n junction ）的能带会弯折，起因是原本p 型半导体和n 型半导体的费米能阶位置各不相同，但是形成p-n 接面后其费米能阶必须保持在同样的高度，造成 无论是p 型或是n 型半导体的传导带或价带都会被弯曲以配合接面处的能带差异。

　　上述的效应可以用能带图（band diagram ）来解释，。在能带图里横轴代表位置，纵轴则是能量。图中也有费米能阶，半导体的本质费米能阶（intrinsic Fermi level ）通常以Ei 来表示。在解释半导体元件的行为时，能带图是非常有用的工具 。

　　半导体材料的制造

　　为了满足量产上的需求，半导体的电性必须是可预测并且稳定的，因此包括掺杂物的纯度以及半导体 晶格结构的品质都必须严格要求。常见的品质 问题包括晶格的错位 （dislocation ）、双晶面（twins ），或是堆栈错误（stacking fault ）都会影响半导体材料的特性。对于一个半导体元件而言，材料晶格的缺陷通常是影响元件性能的主因。

　　目前用来成长高纯度单晶半导体材料最常见的方法称为裘可拉斯基制程（Czochralski process ）。这种制程将一个单晶的晶种（seed ）放入溶解的同材质液体中，再以旋转的方式缓缓向上拉起。在晶种被拉起时，溶质将会沿着固体和液体 的接口固化，而旋转则可让溶质的温度均匀。

　　半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，

　　1833 年，英国巴拉迪 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。

　　不久， 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。

　　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。

　　最早的实用“ 半导体” 是「电晶体 （Transistor ）/ 二极体（Diode ）」。

　　一、在 无电收音机（Radio ）及 电视机（Television ）中，作为“ 讯号放大器 / 整流器 ” 用。

　　二、近来发展「太阳能 （Solar Power ）」，也用在「光电池 （Solar Cell ）」中。

　　三、半导体可以用来测量温度，测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70% 的领域，有较高的准确度和稳定性，分辨率可达0.1℃ ，甚至达到0.01℃ 也不是不可能，线性度0.2% ，测温范围-100~+300℃ ，是性价比极高的 一种测温元件。

　　世界半导体行业 巨头纷纷到国内投资，整个半导体行 业快速发展，这也要求材料业要跟上半导体行业发展的步伐。可以说，市场发展为半导体支撑材料业带来前所未有的发展机遇。

　　Semiconductor

　　A semiconductor is a material with an electrical conductivity that is intermediate between that of an insulator and a conductor. A semiconductor behaves as an insulator at very low temperature, and has an appreciable electrical conductivity at room temperature although much lower conductivity than a conductor. Commonly used semiconducting materials are silicon, germanium, and gallium arsenide.