半導(dǎo)體物理基本知識

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1、半導(dǎo)體物理基本知識一、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體物質(zhì)就其導(dǎo)電性來說，可以分為絕緣體、半導(dǎo)體、和導(dǎo)體。電阻率大于109歐姆·厘米的物體稱為絕緣體，小于10-4歐姆·厘米的物體為導(dǎo)體，電阻率介于10-4～109歐姆·厘米的物體為半導(dǎo)體。二、半導(dǎo)體材料的種類半導(dǎo)體材料種類繁多，從單質(zhì)到化合物，從無機物到有機物，從單晶體到非晶體，都可以作為半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料大致可以分為以下幾類：1、元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體又稱為單質(zhì)半導(dǎo)體。在元素周期表中介于金屬與非金屬之間的Si、Ge、Se、Te、B、C、P等元素都有半導(dǎo)體的性質(zhì)。在單質(zhì)元素半導(dǎo)體中具有實用價值的只有硅、

2、鍺、硒。而硅和鍺是最重要的兩種半導(dǎo)體材料。尤其半導(dǎo)體硅材料已被廣泛地用來制造各種器件、數(shù)字和線性集成電路以及大規(guī)模集成電路等。硒作為半導(dǎo)體材料主要用做整流器，但由于硅、鍺制造的整流器比硒整流器性能良好，所以硒逐漸被硅、鍺取代。2、化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體是AⅢBⅤ型化合物，由元素中期表中ⅢA族的Al、Ga、和ⅤA族的P、As、Sb等合成的化合物成為AⅢBⅤ型化合物。如AlP、GaAs、GaSb、InAs、InSb。在這一類化合物半導(dǎo)體中用最廣泛的是GaAs，它可以用來制作GaAs晶體管、場效應(yīng)管、雪崩管、超高速電路及微波器件等。3、氧化物半導(dǎo)

3、體許多金屬的氧化物具有半導(dǎo)體性質(zhì)，如Cu2O、CuO、ZnO、MgO、Al2O3等等。4、固溶體半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體和無機化合物半導(dǎo)體相互溶解而成的半導(dǎo)體材料成為固溶體半導(dǎo)體。如：Ge-Si、GaAs-GaP，而GaAs-GaP是發(fā)光二極管的材料。5、玻璃半導(dǎo)體玻璃半導(dǎo)體是指具有半導(dǎo)體性質(zhì)的一類玻璃。如氧化物玻璃半導(dǎo)體和元素玻璃半導(dǎo)體，氧化物玻璃半導(dǎo)體是由V2O5、P2O5、Bi2O3、FeO、CaO、PbO等中的某幾種按一定配比熔融后淬冷而成。元素玻璃半導(dǎo)體是由S、Se、Te、As、Sb、Ge、Si、P等元素中的某幾種，一定配比熔融后淬冷而成。

4、玻璃半導(dǎo)體目前研究工作著重于它的開關(guān)效應(yīng)和記憶效應(yīng)。玻璃半導(dǎo)體在通常條件下，具有高阻絕緣性、導(dǎo)電不明顯的特點，但當(dāng)外界條件如電壓、溫度、光照超過某一數(shù)值時，它才能顯示出半導(dǎo)體性質(zhì)。三、半導(dǎo)體的特性1、半導(dǎo)體的電阻率對溫度的反應(yīng)特別靈敏，純凈半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化很顯著，而且電阻率隨溫度的升高而下降。例如純硅溫度從20℃升到28℃，電祖率可以下降到一半左右，當(dāng)溫度接近絕對零度時，半導(dǎo)體成為絕緣體。2、微量的雜質(zhì)能夠顯著的改變半導(dǎo)體的電阻率。例如在純硅中摻入6×1021/m3的雜質(zhì)磷或銻，就能使它的電阻率從2.15×103歐姆·厘米減小到0.

5、01歐姆·厘米。晶格結(jié)構(gòu)的完整與否也會對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能有極大的影響。3、適當(dāng)?shù)墓庹湛墒拱雽?dǎo)體的電阻率顯著改變。當(dāng)某種頻率的光照射半導(dǎo)體時，會使半導(dǎo)體的電阻率顯著下降，這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)。四、電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電當(dāng)理想的本征半導(dǎo)體晶體，受到溫度影響后，使電子在熱運動的激發(fā)下，克服原子的束縛力，跳出來、使共價鍵斷裂，這個電子帶負電在晶體中作無規(guī)則的運動，由于它的平均位移等于零，所以不產(chǎn)生電流。如果在晶體上加一個電場，這些自由電子將沿著作用力的方向運動而產(chǎn)生電流。這種因電子產(chǎn)生的導(dǎo)電叫電子導(dǎo)電。當(dāng)電子在熱激發(fā)下跳出來，在原來形成共價鍵的原子處少了一個電

6、子，留下一個空的位置，這個空位就叫空穴，相鄰的滿鍵上的電子可以跳到這個空穴上來，而相鄰一處又出現(xiàn)了新的空穴，結(jié)果就形成了空穴在晶體內(nèi)移動，由于帶負電的電子跳出，形成的空穴可以一個帶正電的粒子，它所帶的電荷與電子相等，擔(dān)符號相反，空穴在晶體內(nèi)的移動也是無規(guī)則的，因而也不產(chǎn)生電流。但如果加上外電場的作用，空穴就順著電場的方向移動，而產(chǎn)生電流，這就叫空穴導(dǎo)電。五、N、P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體晶體，在實際上是比較難以獲得的，應(yīng)用也不廣泛，可以創(chuàng)造出來一些條件，使晶體中的電子數(shù)目與空穴數(shù)目不相等，也就是其中的導(dǎo)電主要由一種符號的電荷運動產(chǎn)生，如使其中的電子

7、導(dǎo)電占優(yōu)勢，在半導(dǎo)體中加入一定數(shù)量的雜質(zhì)就可以達到這個目的。所謂雜質(zhì)是與半導(dǎo)體材料不同的元素，如硅晶體中除硅元素之外的元素砷、硼、磷等，都稱之為雜質(zhì)。在常溫下，硅的導(dǎo)電性能主要由雜質(zhì)決定。例如，硅中摻有Ⅴ族元素P、As、Sb，這些Ⅴ族元素代替了一部分硅原子的位置，但是，因為它們外層有五個價電子，其中四個與周圍硅原子形成共價鍵，多余的一個價電子就成了可以導(dǎo)電的“自由”電子，所以一個Ⅴ族雜質(zhì)原子，可以向半導(dǎo)體硅提供一個“自由”電子，而雜質(zhì)原子本身成為帶正電的離子，通常把這種雜質(zhì)叫做施主雜質(zhì)。當(dāng)硅中摻有施主雜質(zhì)時，半導(dǎo)體硅主要依靠施主提供的電子導(dǎo)電

8、，這種依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體叫做N型半導(dǎo)體。硅中摻有Ⅲ族元素B、Al、Ga、In，這些Ⅲ族元素雜質(zhì)在晶體中也是代替一部分硅原子的位置，但是因為它們外層僅有三個價電子，